profibusdp现场总线的时间特性分析

PROFIBUS-DP现场总线的时间特性分析

姓名：***申请学位级别：硕士

专业：信息与通信工程、通信与信息系统

指导教师：***

20090601

兰州大学研究生学位论文摘要现场总线是现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。在现有的多种现场总线标准中，ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线是一种比较流行的现场总线标准，目前已广泛应用于加工制造，过程控制和楼宇自动化等领域，是世界上最成熟的现场总线之一。评价一个现场总线系统性能优劣的一个主要方面，是看它对控制对象中事件的响应速度。反映ＰＲＯＦＩＢＵＳ系统实时性能的一个重要时间参数是系统循环时间，系统循环时间也是设置系统目标令牌循环时间Ｔａｘ的主要依据。在实际中存在的主要问题是：在多主站情况下，每个主站是单独组态的，其Ｔａｘ是由其各自的组态软件根据其所配置的Ｉ／Ｏ量及总线参数自动给出的。组态软件在配置各主站时，是无从知道其他主站接入同一网络时所占用的总线循环时间。实际中，缺少一种不依赖于供应商而能普遍适用的计算ｈ的方法。本文在详细介绍ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线协议的基础上，深入分析了影响系统数据交换、令牌传递、系统状态检查等时间参数的因素，推导了总线循环时间的计算公式，讨论了目标令牌循环时间对总线系统运行的影响，并提出了改善系统实时性能方法。本文利用西门子公司生产的ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ主站和从站，创建了ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线实验网络，用编程软件ＳＴＥＰ７对网络系统进行硬件组态和通信编程，并通过实验验证了系统各时间特性和令牌目标循环时间取值对系统的影响。关键词：ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ时间特性总线循环时间目标令牌循环时间ＰＩ．．Ｃ兰州大学研究生学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＦｉｅｌｄｂｕｓｉｓａｋｉｎｄｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｈａｔｉｓｕｓｅｄｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｉｔｅ，ｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａＨ＇ｉｅｓｏｕｔｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ、ｓｅｒｉａｌ、ｍｕｔｉｎｏｄｅｄｉｇｉｔａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｌｏｃａｌａｌｌｅｘｉｓｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ、ｂｅｔｗｅｅｎｌｏｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．ＡｍｏｎｇＦｉｅｌｄｂｕｓｓｔａｎｄａｒｄｓ，ＰＲＯＦＩＢＵＳｉｓｗｉｌｄｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ、ｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｆｌｏｏｒａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｉｔｉｓＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｍａｔｕｒｅＦｌｉｅｄｂｕｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ．ｓｅｅｆｉｅｌｄｂｕｓｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｍａｊｏｒａｓｐｅｃｔｏｆｑｕａｌｉｔｙｉｓｔｏｉｔｓｓｐｅｅｄｏｆｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｅｘｔｅｒｎａｌｅｖｅｎｔｓ．Ａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｉｍｅｐａｒａｍｅｔｅｒｗｈｉｃｈｒｅｆｌｅｃｔｓｒｅａｌ·ｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＢｕｓｓｙｓｔｅｍｉｓＴＢｃ．ＴｓｃｉｓａｌｓｏｔｈｅｍａｉｎｂａｓｉｓｆｏｒｓｅｔｔｉｎｇＩｎａｈ．ｍｕｌｔｉ—ｍａｓｔｅｒｃａｓｅ，ｅａｃｈｍａｓｔｅｒｉｓＡｃｔｕａｌｌｙｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｅｄｓｉｎｇｌｙ，Ｔａｘｉｓｇｉｖｅｎｂｙｉｔｓｏｗｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｉｔｓ！／ｏｔｒａｆｆｉｃａｎｄｂｕｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｗｈｅｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｎｇ，ｅａｃｈｍａｓｔｅｒ’Ｓｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｍｕｃｈｏｔｈｅｒｍａｓｔｅｒｓｏｃｃｕｐｉｅｄｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｄｏｎ’ｔｋｎｏｗｔｈｅｔｉｍｅｈｏｗＴＢｃ．Ａｓａｍａｔｔｅｒｏｆｆａｃｔ，ｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｏｎｔｈｅｍｅｔｈｅｄｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＴａｘｉｓｌａｃｋ，ｄｏｎ’ｔｒｅｌｙｉｎｇｐｒｏｖｉｄｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｔｏｋｅｎ—ｐａｓｓｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｕｓｅｄｉｎＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰｉｓｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｆｉｒｓｔ．ＴｈｅｎｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎＰＲＯＦＩＢＵＳｓｙｓｔｅｍａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈａｔｈａｖｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇｄａｔａｅｘｃｈａｎｇｅ，ｔｏｋｅｎｐａｓｓｉｎｇ，ｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｕｌａｏｆＴＢｃｉｓｏｎｔｈｅｔｉｍｉｎｇｓｔａｔｕｓｃｈｅｃｋ．Ｔｈｅｄｅｒｉｖｅｄ．ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＴａｒｇｅｔＲｏｔａｔｉｏｎＴｉｍｅａｎｄＲｅａｌＲｏｔａｔｉｏｎＴｉｍｅａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｏｎｔｈｅｓｅｂａｓｉｓ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓａｂｏｕｔｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆｉｅｌｄｂｕｓａｒｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．ＡＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｎｅｔｗｏｒｋｉｓｃｒｅａｔｅｄｗｉｔｈＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰｍａｓｔｅｒｓｔａｔｉｏｎａｎｄｓｌａｖｅｓｔａｔｉｏｎｓｗｈｉｃｈａｒｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙＳｉｅｍｅｎｓＡＧｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｇＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅＳＴＥＰ７ｉｓｕｓｅｄｏｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍｈａｒｄｗａｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＰＲＰＦＩＢＵＳ－ＤＰｄａｔａｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．Ａｔｌａｓｔ，ＴｉｍｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｆｆｅｃｔｉｏｎｏｆｓｙｓｔｅｍａｃｔｉｏｎｗｉｔｈＴａｘｖａｌｕｅａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄｖｉａｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰＴｉｍｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓＰＬＣＴｉｍｅＯｆａＢｕｓＣｙｃｌｅｔｈｅｔａｒｇｅｔｔｏｋｅｎｒｏｔａｔｉｏｎｔｉｍｅⅡ原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：煮皋塑盎Ｅｔ关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。敝储繇牲新繇巫牟日期：盟。７兰州大学研究生学位论文１绪论随着计算机技术、网络通信技术及智能化传感技术的飞速发展，控制手段也发生着深刻的变化，并出现了自动化领域的通信网络，逐步形成全布局、全开放式的网络集成自动化系统。目前，广泛应用的现场总线技术，就是这场深刻变革的重要产物。现场总线使得生产仪表与控制设备之间、控制设备与执行设备之间、控制设备与控制设备之间构成网络互联系统，实现全数字化、双向多变量数字通信。它借助网络化的特点，把现实先进控制算法中难以处理的复杂系统问题，转化为信息交换问题，形成以集优化设计和精确控制为一体的自动化集成控制系统，实现了从先进控制理论到工程应用实际的重大变革。现场总线技术是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物，它通过多种传输介质将各类测量仪表和控制器连接成网络系统，打破了旧有的、封闭的、诸如“信息孤岛”式的集散系统模式，实现了数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动化控制系统，即现场总线控制系统（ＦｉｅｌｄｂｕｓＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ，ＦＣＳ）。现场总线控制技术体现了控制系统向网格化、分散化、智能化发展的方向。Ｐｒｏｆｉｂｕｓ是面向工厂自动化、流程自动化的一种国际性的现场总线标准，是目前市场保有量最大的现场总线标准，为国际标准ＩＥＣ６１１５８的一个子集【１１，适合于快速、时间要求严格和可靠性要求高的各种通信任务。Ｐｒｏｆｉｂｕｓ发展过程中根据不同的应用对象、场合、使用规范形成了一系列子集：如分散化的外围设备ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ（ＤｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＦＭＳ（ＦｉｅｌｄｂｕｓＰｅｒｉｐｈｅｒｙ）、Ｍｅｓｓａｇｅ现场总线报文规范过程自动化Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＰＡ（ＰｒｏｃｅｓｓＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）。Ｐｒｏｆｉｂｕｓ系统的实时性能即表现在数据循环交换的周期长短上，而影响系统数据交换能力的因素很多，如采用的总线传输速率、要交换的数据长度和数量、系统的各项参数指标等等。通过分析Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＤＰ的总线拓扑结构和ＭＡＣ层的协议后，易知：Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＤＰ系统中实际上有两个循环。一是令牌在主站上的循环，二是主站对各个从站的轮询。以上两个循环快慢反应了系统数据交换能力的高低，对两个循环能产生作用的因素除了系统本身性能和协议特点外，还跟用户能够自定义的网络性能参数目标令牌循环时间有关。兰州大学研究生学位论文１．１现场总线技术随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展。信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展、引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线（ｆｉｅｌｄｂｕｓ）就是顺应这一形势发展起来的新技术。１．１．１现场总线技术的定义与形成现场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的全数字化、双向传输、多分支结构的串行通信网络。国际电工委员会（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，ｍＣ）ＩＥＣ６１１５标准将其定义为“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线＂。现场总线是在实际需求的驱动下应运而生的。在计算机数据传输领域内，长期以来使用ＲＳ一２３２和ＣＣＩＴＴＶ．２４通信标准。尽管它们被广泛使用，但却是一种低数据速率和点对点的数据传输标准，力支持更高层次的计算机之间的功能操作。在复杂或大规模的应用中，如工业现场控制或生产自动化领域，需要使用大量的传感器、执行器和控制器等，它们通常分布在非常广的范围内，如果在最低层采用传统星状拓扑结构，那么安装成本和介质造价都将非常高昂。另外，传统的测控自动化系统采用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“自动化孤岛＂。所以，在最低层次上的确需要设计一种造价低廉而又经受现场环境考验的通信系统，形成低层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及现场与外界的信息交换。模拟数字混合仪表克服了单一模拟仪表的多种缺陷，给自动化仪表的发展带来了新的生机，为现场总线的诞生奠定了基础。而数字模拟信号混合运行的系统，逐渐被具备通信功能、传输全数化信号，可实现智能仪表之间的信息交换、处理多个信息和复杂计算的仪表与系统所取代，形成了各具特色的现场总线，如ＰＲＯＦＩＢＵＳ，ＦＦ，ＨＡＲＴ，ＣＡＮ，ＬｏｎＷｏｒｋｓ等。１．１．２现场总线的特点与优点现场总线技术代表了自动化发展的方向，其主要特点意味着将掀起一场工２兰州大学研究生学位论文业现场层设备通信的数字化。基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要特点如下【２】：（１）系统的开放性开放系统是指通信协议公开。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供货商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。（２）互操作性与互用性互操作性是指实现互连的设备之间、系统之间的信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。（３）现场设备的智能化和功能自治性将系统的传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，并完成自动控制的基本功能，随时诊断设备的运行状态。（４）系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，简化了系统结构，提高了可靠性。（５）对现场环境的适应性现场总线是专为现场环境设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求。由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点如下１３】：（１）节省硬件数量与投资由于分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，可用价廉的工业ＰＣ机作为操作站，并可减少控制室的占地面积，从而节省硬件投资。（２）节省安装费现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设３兰州大学研究生学位论文备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，联机设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算数据表明，可节约安装费用６０％以上１４１。（３）节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，联机简单而减少了维护工作量。（４）用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死＂了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。（５）提高了系统的准确性与可靠性由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与联机减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。１．１．３现场总线技术发展趋势由于Ｅｔｈｅｍｅｔ技术的快速发展，Ｅｔｈｅｍｅｔ介入控制已经成为事实。种种迹象表明，Ｅｔｈｅｍｅｔ将最终到达所有的传感器和执行器。从实际情况看，它并不会马上取代全部现场总线，因为它们之间还有许多不同点。Ｅｔｈｅｍｅｔ在工业现场的应用需要解决实时性、可互操作等问题。Ｅｔｈｅｍｅｔ上需要建立一个通用的应用层，接收数据的设备应当可以知道数据的内容、组织方式。工业级的网络连接器对于许多应用来说是必要的，目前使用的以太网连接器不能满足工业应用。还有，Ｅｔｈｅｍｅｔ最终解决了现场总线的全部问题，那么它未必是廉价的，所以客观地说，整合ＹＥｔｈｅｍｅｔ和ＴＣＰ／ＩＰ技术的现场总线将是今后发展的主流体系和应用热点。４兰州大学研究生学位论文１．２ＰＲＯＦＩＢＵＳ概述ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线，即过程现场总线，是面向工厂自动化、流程自动化的一种国际性的现场总线标准，是目前国际上通用的现场总线标准之一。以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。ＰＲＯＦＩＢＵＳ属于ＩＥＣ６１１５８标准推荐的类型３，符合欧洲ＥＮ５０１７０标准与德国ＤＩＮｌ９２４５标准。２００６年１０月１６日，中国国家标准化管理委员会审核通过了“ＰＲＯＦＩＢＵＳ＂规范成为中国国家标准，是中国唯一批准的现场总线国家标准。目前ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线已经覆盖了制造业、楼字自动化和过程自动化等多个自动化领域。ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线不仅可以用于工厂自动化网络系统中的车间级控制网，进行ＰＬＣ与ＰＬＣ、ＰＬＣ与管理计算机、ＰＬＣ与编程监控设备之间的主站．主站间链接；也可以用于生产线内部的现场总线网，进行ＰＬＣ与远程Ｉ／Ｏ、ＰＬＣ与各种驱动装置、ＰＬＣ与其他ＰＲＯＦＩＢＵＳ设备之间的主站．从站链接；还可以实现与过程自动化集散控制系统（ＤＣＳ）ｑｂ的压力、温度、流量、液位等过程控制设备的链接。其主要特点【５】如下：（１）开放性ＰＲＯＦＩＢＵＳ是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准，全球有超过２５０家公司可以生产超过２０００种支持ＰＲＯＦＩＢＵＳ的系统和设备。ＰＲＯＦＩＢＵＳ的开放性保证了不同制造商的产品的互连，例如西门子公司的ＤＣＳ或ＰＬＣ可以通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ连接第三方的远程Ｉ／Ｏ、智能设备和仪表，这些连接只需要产品制造商提供相应的设备数据库（ＧＳＤ）文件或电子设备描述（ＥＤＤ）文件，然后进行简单“组态’’即可实现。目前国际知名的自动化系统制造商如：ＳＩＥＭＥＮＳ、ＡＢＢ、ＥＭＥＲＳＯＮ等，知名的仪表制造商如：ＳＩＥＭＥＮＳ、ＥＭＥＲＳＯＮ等都可以提供丰富的支持ＰＲＯＦＩＢＵＳ的产品。在电力行业知名的ＤＣＳ制造商如：ＳＩＥＭＥＮＳ、ＡＢＢ、ＥＭＥＲＳＯＮ、ＦＯＸＢＯＲＯ等都支持ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线，知名的ＰＬＣ品牌如：ＳＩＥＭＥＮＳ、ＭＯＤＩＣＯＮ、ＡＢ也都可以支持ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线。（萄可靠性ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的，可以减少大量接５兰州大学研究生学位论文线点，提高信号传输过程中的抗干扰能力。直接连接现场智能设备，可以减少大量接线点，减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障，减少了Ａ／Ｄ转换的环节，提高了自动化系统的采集精度，为精确控制提供保障；ＰＲＯＦＩＢＵＳ上各设备的连接非常简单，并可以通过专用剥线工具和ＰＲＯＦＩＢＵＳ接头，减少接线风险；同时接头可以保证总线上任何一个结点故障不影响系统通信；支持冗余总线系统，提高系统可靠性。（３）可扩展性采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线结构的控制系统，扩展非常方便灵活：拓扑结构可以支持总线型、星型、树状、冗余环状等多种拓扑结构，光纤和双绞线作为通信介质，采用多模光纤时，两个光电模块问的距离可达３ｋｍ，采用单模光纤时，两个光电模块间的距离可达２６ｋｍ，采用双绞线不加中继的最远通信距离可达ｌｋｍ，采用中继时最远可达９ｋｍ。一条ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ总线最多可以连接１２３个ＤＰ从站，所有满足ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ通信规约的设备都可以连接到系统中。目前全球有超过１２００家公司可以生产超过２０００种支持ＰＲＯＦＩＢＵＳ的产品，因此具有很强的开放性和可扩展性。提供多种接口设备，用于将冗余ＤＰ总线转换成ＰＡ总线和将ＤＰ总线转换成ＡＳＩ总线等，非常便于扩展。（４）实时性采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线的系统具有很高的实时性，这是由ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线系统的数据传输速率高所决定的。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ总线的传输速率可达１２Ｍｂ／ｓ，是目前通信速率最高的现场总线。１．３ＰＲＯＦＩＢＵＳ的分类ＰＲＯＦＩＢＵＳ是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种自动化设备可以通过同样的接口交换信息。ＰＲＯＦＩＢＵＳ定义了各种数据设备连接的串行现场总线的技术和功能特性。现场设备可以广泛分布在控制底层（如传感器、执行器）和控制中心（如车间级）。ＰＲＯＦＩＢＵＳ连接的设备由主站和从站组成。主站能控制总线，当一主站得到现场总线控制权时它可以主动向从站和其他主站发送信息。从站为控制的外围设备（如智能传感器、执行器等），它们没有现场总线的控制权，仅对接收到的信息予以执行，或当主站要求数据时回送给主站相应的信息。ＰＲＯＦＩＢＵＳ为多主从结构，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统。６兰州大学研究生学位论文针对不同的控制场合，它分为３个系列。（１）ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ用于传感器和执行器级的调整数据传输，以ＤＩＮ１９２４５的第一部分为基础，根据所需要达到的目标对通信功能加以扩充。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的传输速率可达１２Ｍｂｐｓ，一般构成单主站系统也支持多主站系统。主站和从站间采用循环数据传送方式工作。这种设计主要用于设备一级的调整数据传送，在这一级，控制器（如ＰＬＣ／ＰＣ）通过调整串行线与分散的现场设备（如Ｉ／Ｏ、驱动器等）进行通信，与这些分散的设备进行的数据交换多数是周期性的。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ主要应用于制造业自动化系统中的单元级和现场级通信。（２）ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＰＡ。对于安全性要求较高的场合，可选用ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＰＡ协议，这由ＤＩＮｌ９２４５的第４部分描述。ＰＡ具有本质安全特性，实现了ＩＥＣ１１５８．２规定的通信规程。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＰＡ是ＰＲＯＦＩＢＵＳ的过程自动化解决方案。ＰＡ将自动化系统和过程控制系统与现场设备（如压力、温度和液位变送器等）连接起来，代替了４＂－－＇２０ｍＡ模拟信号传输技术、节约了设备成本，极大地提高了系统功能和安全可靠性。因此，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＰＡ特别适用于化工、石油、冶金等行业的过程自动化控制系统。（３）ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＦＭＳ。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＦＭＳ主要解决车间一级通用任务，完成中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务。由于它完成控制器与智能现场设备之间的通信及控制器之间的信息交换，所以它考虑的主要问题是系统的功能，而不是系统的响应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换（如改变设定参数等）。ＦＭＳ给用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，可用于大范围和复杂的通信系统。１．４论文的主要内容和组织结构本论文在分析ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线通信协议的基础上，研究了总线数据通信各时间参数特性，并用实验进行了验证。具体内容安排如下：一、介绍现场总线的定义，特点和优点、发展情况、ＰＲＯＦＩＢＵＳ的特点及分类。二、详细分析ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线协议、数据帧格式、任务信息的分类、主站和从站的运行机制。７兰州大学研究生学位论文三、研究了ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线的主站和从站结构、主从站的初始化过程、诊断服务，并简要介绍了ＤＰ．Ｖ０、ＤＰ．Ｖ１、ＤＰ．Ｖ２三个版本的功能。四、研究了ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线数据通信的时序关系、总线时间参数之间关系，推导了令牌循环时间、报文循环时间、ＦＤＬ状态检查时间、总线循环时间的公式、分析了误码率对总线循环时间、目标令牌循环时间对总线系统的影响。五、创建了ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线实验网络系统，验证了总线数据通信各时间行为。六、对论文主要工作进行了总结，对本人下一步的工作提出了展望。８兰州大学研究生学位论文２ＰＲＯｎＢＵＳ．ＤＰ现场总线技术在ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线中，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ应用最广，主要用于设备级的高速数据传输，控制器通过高速串行线同分散的现场设备（如Ｉ／Ｏ、驱动器、阀门等）进行通信。它专为自动化控制系统和分散Ｉ／Ｏ设备之间优化的高速、廉价的通信而设计，可取代２４ＶＤＣ或４＇－－＇２０ｍＡ信号传输，能满足分布式控制系统的实时性、稳定性和可靠性的要求，具有广大的用户。按协议依时间的前后，可分为３个版本，依次用ＤＰ．Ｖ０、ＤＰ．Ｖ１、ＤＰ．Ｖ２来表示。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ有如下几个特点：●传输介质支持屏蔽双绞线和光纤。·传输速率范围宽，为９．６ｋｂ／ｓ＂一１２Ｍｂ／ｓ，但同一网络上的所有设备必须选用同一传输速率。·传输距离，无中继的一个网络段最长可达１．２ｋｍ。具体传输距离与传输速度有关。·支持总线型或树状拓扑，有终端电阻。·采用不归零的差分编码，支持半双工、异步传输。●为保证数据传输的完整性，采用海明距离（ＨＤ）＝４的数据帧。·数据传输服务：包括循环的数据传输和非循环数据传输。循环数据传输是指主站按照预先定义的顺序循环地探询各站。其服务形式只有一种：有回答要求的发送腈求数据，如主站的令牌管理、与ＤＰ从站交换用户数据通信等。非循环的数据传输服务形式有两种：有／无应答要求的发送数据、有回答要求的发送／请求数据，如从站初始化阶段的参数配置、诊断等。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线的结构体系和系统组成ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线的结构体系ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总路线的体系结构是根据开放系统互连参考模型制定９２．１２．１．１的，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的体系结构及各协议层及子层的结构如图２．１所示【６】。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ使用第１、２层和用户接口。为了获得快速和高效率的数据传输，第３一－７层没有定义。直接数据链路映像（ＤＤＬＭ）为用户接口提供第二层的访问兰州大学研究生学位论文服务。用户接１２１定义了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能，并详细说明了各种不同ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ设备的行为，还提供了ＲＳ．４８５传输技术和光纤传输技术。（用户应用程序］◇ｆｌｉｐ接口层直接数据链路映射（ＤＤＬＭ）３－７Ｊ昙未使用３－了层现场总线数据链路层【ＦＤＬ）数据链路层物理层醛一４８Ｓ／光纤图２．１ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ协议结构图ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络ＭＡＣ层使用基于Ｔｏｋｅｎ．Ｐａｓｓｉｎｇ的主从轮询控制介质接入方式，这种ＭＡＣ介质接入方法加上ＰＲＯＦＩＢＵＳ的现场总线数据链路层的定义就构成了ＰＲＯＦＩＢＵＳ的公共通信协议，将在本章第三节详细分析。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ协议的两个主要组成部分是用户接口和直接数据链接映射层（ＤＤＬＭ），对于主站和从站来说，分别拥有不同的功能。主站的用户接口层的主要任务是连接和控制已指派的从站设备。这项功能是由一组用户接口功能集完成的，而该功能集又是直接数据链接映射层（ＤＤＬＭｌ提供的。电源供电后，从站等待对其初始化配置，分别调用两个功能来实现：ＤＤＬＭ＿ｓｅｔ．＿ｐｒｍ（设置参数）和ＤＤＬＭ＿ｃｈｋ＿ｃｆｇ（检查组态）。在成功初始化后，从站即进入数据交换阶段，此时通过周期性的调用ＤＤＬＭ实现与主站的输入／输出数据交换。在数据交换阶段，被轮询的从站可以发送信号通知主站诊断信息己准备好。这时，主站应在当前轮询周期结束末尾通过ＤＤＬＭ＿ｓｌａｖｅ＿ｄｉａｇ功能读取从站诊断报文。另外，在数据交换阶段，主站可以发送全局控制命令到从站设备使输入／ｒ输出同步，这项功能由ＤＤＬＭｇｌｏｂ缸ｃｏｎｔｒｏｌ来实现，可以用于一个从站或一组从站。１０兰州大学研究生学位论文直接数据链接映射层（ＤＤＬＭ）的另一个功能是把用户接口的功能映射到ＦＤＬ层的服务中。ＤＤＬＭ使用服务存取点（ＳＡＰ：ＳｅｒｖｉｃｅＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔｓ）来识别用户接口层的不同功能用。ＳＡＰ定义在ＦＤＬ的协议数据单元（ＰＤＵ）中（ＰＤＵ中的ＳＳＡＰ表示源服务存取点，ＤＳＡＰ表示目的服务存取点）。２．１．２ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的系统组成ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ总线系统设备包括主站（主动站，有总线访问控制权，包括１类主站和２类主站）和从站（被动站，无总线访问控制权）。当主站获得总线访问控制权（令牌）时，它能占用总线，可以传输报文，从站只能应答所接收的报文或在收到请求后传输数据。一个ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ系统既可以是一个单主站结构，也可以是一个多主站结构。一个典型的多主站ＰＲＯＦＩＢＵＳ系统结构如图２．２所示。主站和从站采用统一编址，可选用０＂－－＇１２７共１２８个地址，其中１２７为广播地址。一个ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络最多可以有１２７个主站，在应用实时性要求较高时，主站个数一般不超过３２个。１、一类（Ｃｌａｓｓｌ）主站一类主站完成总线通信控制与管理，能够对从站设置参数，检查从站的通信接口配置，读取从站诊断报文，并根据已经定义好的算法与从站进行用户数据交换。１类主站还能用一组功能与２类主站进行通信。所以１类主站在ＤＰ通信系统中既可作为数据的请求方（与从站的通信），也可作为数据的响应方（与２类主站的通信）。典型的设备如ＰＬＣ、ＰＣ等。２、二类（Ｃｌａｓｓ２）主站二类主站是一个编程器或一个管理设备，是组态、监视或工程工具，可用来设定网络和参数，监视ＤＰ从站。３、从站从站是ＤＰ系统通信中的响应方，它不能主动发出数据请求。ＤＰ从站可以与２类主站或１类主站进行数据交换，并向主站报告本地诊断信息。按功能划分，从站有三种类型：（１）以ＰＬＣ作为智能Ｉ／Ｏ口设备，例如ＣＰＵ３１５．２ＤＰ。（２）分布式Ｉ／Ｏ模块。分布式Ｉ／Ｏ模块通常由电源部分、通信适配器部分、接线端子部分组成。不能存储程序和程序执行，通信适配器部分接收主站指令，兰州大学研究生学位论文按主站指令驱动Ｉ／Ｏ，并将ＦＯ输入及故障诊断等信息返回给主站。（３）带有ＰＲＯＦＩＢＵＳ接口的驱动器、传感器、执行器等现场设备。这类设备在与主站通信之前，必需由主站对设备进行在线配置。图２．２一个典型的多主站ＰＲＯＦＩＢＵＳ系统结构２．２ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的物理层ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的物理层支持屏蔽双绞线和光纤两种介质。本章只介绍应用最广泛ＲＳ４８５传输方式。２．２．１ＲＳ４８５传输方式ＲＳ４８５采用平衡差分传输方式，在一个两芯卷绕且有屏蔽层的双绞电缆上传输大小相同而方向相反的电流，以削弱工业现场嗓声，且避免多个节点间接地电平差异的影响。其传输的速率为９．６Ｋｂｐｓ一１２Ｍｂｐｓ，每一个网段最大可以接入３２个设备，每个网段最大长度１２００ｍ。当设备大于３２时，采用中继器连接，将设备分成不同的网段。２．２．２电缆技术数据ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ常用的有两种不同的电缆，类型Ａ和类型Ｂ。近年来新安装的系统中均使用性能好的类型Ａ电缆，其外表层的颜色为紫色，技术参数如表２．１所示。表２．１电缆特性１项目类型Ａ１３５～１６５特征阻抗／Ｑ１２兰州大学研究生学位论文单位长度电容／（ｐＦ／ｍ）回路电阻／（ｎ／ｋｍ）缆芯直径／ｎｕｎ缆芯截面积／ｍｍ２＜３０１１００．６４＞０．３４传输的有效作用距离是与传输速度相关的，典型数据见表２．２。表２－２电缆特性２速度／Ｋｂｐｓ９．６１９．２９３．７５传输的有效作用距离／ｉｎ（类型Ａ）１２００１２００１２００１０００４００１８７．５５００１５００２００２．２．３电缆连接头ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ规定电缆接口采用９针Ｄ型连接器，连接器的机械和电气特性符合ＩＥＣ８０７．３的规定。Ｄ型连接器分插头、插座两种形式，插座在总线站一侧，插头与ＲＳ．４８５电缆相连。９针Ｄ型接头中的名脚定义如表２．３。表２－３Ｄ型接头的管脚定义编号１２脚名Ｓｈｉｅｌｄ功能外层保护地Ｍ２４ＲｘＤ／ＴｘＤ—ＰＣＮＴＲ．Ｐ２４Ｖ输出电压一数据接收／数据线＋Ｂ线控制中继器数据传输０电位给终端器电阻供应（＋５Ｖ）２４输出电压＋数据接收／数据线—Ａ线中继器控制符号３４５ＤＧＮＤＶＰＰ２４６７８９ＲｘＤ厂ｌ’ｘＫ．ＮＣＮＴＲ．Ｎ兰州大学研究生学位论文２．２．４信号传输特性ＲＳ４８５电缆上每一个字符以ＵＡＲＴ格式传送，每个字符有１１位长，包括１个启始位，８个数据位，１个奇偶校验位，１个停止位。信号的传输以半双工、异步、无间隙同步为基础，传输的调制形式为ＮＲＺ（不归零）编码。当线路空闲时，电路保持在“Ｉ”状态。电缆上信号高速传播，当到达电缆两端时，信号不可能简单地消失，会被放射回来，叠加到后面的传输信号上，引起信号的失真。理论上说，信号反射的影响始终存在，速度越高影响越大。为了消除信号的反射，通常在电缆的两端接入终端电阻。理论证明当电缆的特征阻抗与终端电阻相匹配时，能够最大限度的吸收信号的反射。２．３ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的数据链路ＦＤＬ层数据链路层（ＤａｔａＬｉｎｋｌａｙｅｒ）在现场总线系统常被称为ＦＤＬ（ＦｉｅｌｄｂｕｓＤａｔａＬｉｎｋＬｉｎｋ），包括了介质访问控制ＭＡＣ子层和现场总线链路控制子层（ＦｉｅｌｄｂｕｓＣｏｎｔｒｏｌ，ＦＬＣ）。两者在现场总线管理（ＦｉｅｌｄｂｕｓＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＦＭＡ）下共同完成“呈接上层应用层的任务，下达给物理层；呈接下层物理层的数据，上传给应用层＂，其关系如图２．３所示。用户层用户接口（ＤＰ）ＦＬＣ数据链路层Ｆ讹～１／２Ｎｋ坨物理层图２．３ＰＨＹＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ的层次结构ＰＲＯＦＩＢＵＳ的ＭＡＣ子层控制了物理传输层。其协议控制机制效率的高低，直接决定了ＰＲＯＦＩＢＵＳ系统的实时性能，对评价一个工业数据通信和控制网络的性能是首先要考虑的方面。２．３．１ＦＤＬ层的数据传输功能在主站（控制器）和从站（前端站点）之间，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ能够周期性或非周期性地传递参数和检测、控制数据，以实现数据交换，这些数据传输功能是构成各种规约功能的基础。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ数据链路层ＦＤＬ提供了两种不同的服务【１０１：ＳＲＤ（发送并请求回答的数据）、ＳＤＮ（发送不要求确认的数据）。１４兰州大学研究生学位论文◆ＳＲＤ：发送数据，且要求回复数据。从源站点到目的站点它可以传输最多２４６个字符的用户数据。目的站点在正确接收到数据后需要做出确认响应。在响应帧中，可以包含目的站发送给源站的数据，最多不超过２４６字节。对只有输出功能的从站，则回复一个确认短帧ＯＸＥ５。它常用在主站对从站的轮询中。◆ＳＤＮ：发送数据，不需确认。可以向一个从站或一组从站发送最多２４６个字符的数据，目的站点不需要回送正确接收数据的确认帧。ＳＤＮ服务用于由一个主站向多个站点的数据广播发送及群发，故而不需要回复响应，主要用于同步发送，状态宣告。２．３．２数据传输格式２．３．２．１帧字符ＣＯＡＲＴ字符）每个帧由若干个帧字符（即ＵＡＲＴ字符）组成。ＵＡＲＴ字符（ＵＣ）是为了实现异步传输的起停字符，其结构如图２．４所示。传输的俊疆廖１２３４５６７８９２７１０１１２．ＬＳＢ斑Ｂｂ２ｂ３ｂ４ｂ５ｂ６ｂ７ｂ８ｐＩ位禽义偿患Ｏｂｌ并始位《ｓ”卞８位位组ｌ伫止位‘Ｓ∞鸯偶梭餮位（ｅｖｅａ）图２．４ＵＡＲＴ字符格式每个ＵＡＲＴ字符由１１个位组成：一个开始位（ＳＴ），它总是为二进制“０”；８个信息位（Ｉ），它们可以是二进制“０’’或“１＂；一个奇偶校验位（Ｐ），它是二进制“０＂或“１＂和一个停止位（Ｓｐ），它总是为二进制“１”。２．３．２．２帧格式从ＰＲＯＦＩＢＵＳ的ＦＤＬ层上看，则传输的报文帧结构仅有４种类型：ＳＤＩ：无数据域，只是用作查询总线上的激活站点。ＳＤ２：数据域长度可变，参数域的配置多且功能强大，是ＰＲＯＦＩＢＵＳ中应用最多的一种帧结构，常用于ＳＲＤ服务。兰州大学研究生学位论文ＳＤ３：带有固定８字节长的数据域ＳＤ４：Ｔｏｋｅｎ令牌帧，固定结构ＳＣ：仅用于对请求服务的简短回复。如从站在数据尚未准备好时，告知请求方自己尚无数据。ＳＣ：０Ｘｅ５上表中符号定义如下ＳＤ：ＳｔａｒｔＤｅｌｉｍｉｔｅｒ（起始符）ＬＥ：Ｌｅｎｇｔｈ，包括ＤＡ，ＳＡ，ＦＣ，ＤＳＡＰ，ＳＳＡＰ在内所有用户数据长度ＬＥｒ：ＬｅｎｇｔｈＲｅｐｅａｔ，ＩＥ的重复ＤＡ－目的地址ＳＡ：源地址ＦＣ：功能码ＤＵ：用户数据域ＦＣＳ：对帧中各个域数据的代数和ＥＤ：结束符２．３．３ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的ＭＡＣ协议ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ的ＭＡＣ层使用的是基于Ｔｏｋｅｎ．Ｐａｓｓｉｎｇ的主从轮询协议。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ中令牌类总线协议的最大特点是总线上的各站点地位不均等，分为主、从站点两种。主站统一管理着各个从站分时接入总线的权利，而从站不能自由地接入公共传输介质总线，通过这种方式可使总线上传输冲突得以避免。２．３．３．１ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的Ｔｏｋｅｎ．Ｐａｓｓｉｎｇ的原理【８】一个典型的ＰｒｏｆｉｂｕｓＤＰ系统由一类主站、二类主站和从站设备组成，其结构如图２．５所示。各个站点与在ＩＥＥＥ８０２．４中一样，平等地连在总线上，且赋予唯一的一个逻辑地址。把总线上的主站形成的集合定义为逻辑环（ＬｏｇｉｃＲｉｎｇ）。作为一个特别定义的数据帧（令牌）在此逻辑环上周期性地轮转。在一个系统中此令牌是唯一的，因此系统中某个时刻只能有一个主站能得到令牌，持有令牌的这个主站就具有了１６兰州大学研究生学位论文尸１ｌｌＩ从站１ｌＩ从站主ｌｌ从站３ｌ图２．５ｌ／１∥瓜／。／／、八＼．叭／◇●Ｎ主站１＞主站２亡＝＝＞主站３侈Ｉ／＼／】７／ｌ＼＼／＼＼’ｌ＼／／／＼．ｌ从站４ｌＩ从站５ｌｌ从站ａＰＲＯＦＩＢＵＳ·ＤＰ的总线逻辑结构此时控制总线的分配权，可以向所属于它的从站发起通信。Ｔｏｋｅｎ类协议的缺点是逻辑环上的管理工作较复杂，如令牌的丢失、某一个主站加入或离开等都要进行处理，从而消耗一定的资源，且令牌本身的传输也占用了一部分带宽。在网络负载较重时，Ｔｏｋｅｎ．Ｐａｓｓｉｎｇ协议仍能发挥近乎１００％的效率，而在网络负载较低时，因为发送数据的站要等待令牌的到来，产生了附加的时延，效率反而不高。２．３．３．２数据通信任务的优先级别在现场总线上传输的信息既包含实时性要求高的过程Ｉ／Ｏ数据，也包括组态数据等非实时信息。为了使实时数据得到及时传输，Ｐ．Ｔｏｋｅｎ．Ｐａｓｓｉｎｇ中对与从站通信任务规定了高低两个优先级别任务。低优先级信息又进一步划分为轮询表信息、非循环低优先级信息、间隙表信息。现场总线传送的信息按照信息产生的周期特性，可以划分为周期信息和非周期信息。周期信息是过程Ｉ／Ｏ控制数据，具有时间；非周期信息既包含具有时间要求的报警事件信息，也包含系统或节点安装与初始化等没有严格时间的非实时信息。另外，按照信息对时间要求苛刻程度，可以划分为时间苛刻信息和时间不苛刻信息两种。时间苛刻信息的执行具有严格的时间，既包括周期过程Ｉ／Ｏ数据，也包括报警和设备状态等非周期信息；时间不苛刻信息是系统或节点安装与初始化信息等，执行时间没有，但要求信息的完整性。本节根据信息的苛刻程度，将信息分为周期信息、时间苛刻的非周期信息１７兰州大学研究生学位论文和时间非苛刻的非周期信息三种。◆周期信息：周期信息是由周期监控和过程反馈控制产生的，具有固定的产生周期，出现速率是可以预见的，包括传感器的定时采样信号和控制器的定时控制信号等过程数据。由于过程数据直接影响着受控物理过程，其长度有限，实时性要求高，一般要求ｍｓ级的响应时间。此类信息划分为轮询表信息。◆时间苛刻的非周期信息。时间苛刻的非周期信息，包括系统的紧急控制指令信息、报警信息和故障通知信息等。这类信息的最大特点是突发性强，产生时间是随机的，出现速率具有不可预见性，产生的频率相对较低，具有严格的时间要求，实时性必须得到满足。此类信息划分为高优先级信息。◆时间不苛刻的非周期信息。时间不苛刻的非周期信息，就是没有响应时间的信息，对实时性没有太大的要求。这类信息包括数据文件和数据库管理信息，以及高层的功能及参数设定信息等，信息长度较大，有效期较长，通常性况下不允许信息丢失，需要一定的差错控制来保证信息的完整性和准确性。此类信息划分为非循环低优先级信息或间隙表信息。２．３．３．３逻辑环的管理一个拓扑结构为总线介质的网络系统必须能够允许站点的自由加入和离开，且同时能保持系统的正常运行，这就要求Ｐ．Ｔｏｋｅｎ．Ｐａｓｓｉｎｇ协议中的管理者——主站具有对系统变化的感知和管理的能力，即在维持逻辑环和从站周期性数据交换的同时还须不时地探测总线上的站点变化。这种管理包括了几方面内容：对主站和从站两类站点不同方面的管理。对从站的管理较为简单，当某一从站突然发生故障或离线时，主站则仍会发起对它的数据交换请求指令，但收不到答复。一旦该从站恢复正常后，即可自动加入与主站间的数据周期交换序列。而若在定义初始化参数时，从站脱离了总线，从而不能完成主站的参数初始化过程，在主站的数据缓冲区就不能建立相应的对应空间，则主从站间通信则永久不能进行。主站与主站间的通信管理则涉及到逻辑环的管理，对整个系统的稳定运行１８兰州大学研究生学位论文影响较大。对于令牌的管理而言，有３个地址概念特别重要：ＰＳ（前上站地址）、＂ＩＳ（本站地址）、ＮＳ（下一站地址）。下面描述主站的离去和加入进行相应的处理操作过程：当系统中只有一个主站时，ＰＳ＝ＴＳ＝ＮＳ；有多个主站时，ＰＳ、ＴＳ、ＮＳ不同且按升序排列。通过ＬＡＳ表，每一个主站能得知在总线上与它相邻的前后两个主站的地址。为了对逻辑环的动态变化及时监控，每一个主站负责对ＴＳ和ＮＳ间的区间周期性地检测，看是否有新的主站加入。ＴＳ和ＮＳ的地址区间用Ｇａｐ表示，当一个主站得到令牌，在执行完高、低级别的传输任务后，且仍有令牌持有时间，即砘大于Ｏ时，执行一个Ｒｅｑｕｅｓｔ．ＦＤＬ－Ｓｔａｔｕｓ指令，探测Ｇａｐ中间的一个地址。若发现了在此地址段中有新的主站响应，则更新自身的ＬＡＳ表，且将此地址赋予ＮＳ，在下一个令牌的循环中将令牌交给此新ＮＳ站。若此Ｒｅｑｕｅｓｔ．ＦＤＬ－Ｓｔａｔｕｓ指令无响应答复，则认为无新主让加入，就交令牌到原ＮＳ站。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ中的这种对令牌的管理方法中存在的一个问题是：限于令牌的Ｔｍ是动态变化的，ＴＳ站不能保证在每一次令牌到来时有足够的时间以发出Ｒｅｑｕｅｓｔ．ＦＤＬ－Ｓｔａｔｕｓ指令去查询Ｇａｐ中的一个地址，且更新ＮＳ值，因此系统又设置了一个强制更新Ｇａｐ的时间参数Ｔ６ｔｍ。ＴＧｔｍ＝Ｇ＊ＴＴＲ（此时ｌ＝Ｇ＝１００）在主站中设置有一个Ｇａｐ更新计数器（ＧａｐＵｐｄａｔｅｔｉｍｅｒ），初始值等于ＴＧｕＤ，在此计数时间倒计时为０时必须强制查询Ｇａｐ一次，然后重新装入ＴＧｕＤ。为了防止令牌的丢失，还规定了另一个时间参数‰。在系统接电，进入ＬｉｓｔｅｎＴｏｋｅｎ和Ｐａｓｓｉｖｅｉｄｌｅ状态，或者收到一个报文帧的最后一个位后，总线上的每一个站自动启动各自的Ｔｉｍｅ．ｏｕｔ计数器，同时监视总线的活动状态。若总线的空闲状态时间达到ＴＩＤ值大小，则变为系统出现重大错误，如令牌丢失、电缆中断等。此时由第一个计时到的主站产生一个新令牌帧。２．３．３．４基于Ｔｏｋｅｎ．Ｐａｓｓｉｎｇ的主从轮询协议的运行机理为了分析存取控制协议，下面界定几个重要的时间量【９】：目标令牌循环时间ｈ：是由网络设计者指定的令牌在逻辑环上的循环时间。一般该时间在所有主站上设置一致。实际令牌循环时间砥【１０ｌ：令牌的实际动态循环时间。其计算方法为：在１９兰州大学研究生学位论文图２．６ＰＲＯＦＩＢＵＳ的Ｐ－Ｔｏｋｅｎ－Ｐａｓｓｉｎｇ某主站收到令牌后，１ｋ开始加计数或减计数，直到令牌再次到达该主站为止。计算这一时间时，需要考虑从站诊断报文、主从间的非周期数据交换、高优先级报文、逻辑令牌动态变化等情况下的动态令牌环时间。主站持有令牌时间ＴＴＩ－Ｉ：某主站收到令牌到该主站将令牌传送到下一主站的目标时间，其表达式为ＴＴＨ＝ＴＴＲ．讯。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的ＭＡＣ层报文处理算法流程简图如图２．６所示。令牌在总线上按升序沿着逻辑环上的各个主站点间轮转，拥有令牌的主站才有权向所属于它的从站发起通信，进行交换数据，而从站在平时只能被动地等待主站前来联系。当某主站接到令牌后，首先处理高优先级队列，即使令牌迟到，也会保证至少处理一个高级任务，之后令牌送下一站。一般情况下，如果１’讴＞Ｏ，则继续处理剩余的高级别任务，直至队列为空，然后开始对低级别队列的处理，处理完轮询表中的数据交换任务后，如还有时间，则开始执行一系列对逻辑兰州大学研究生学位论文环的管理任务及用户自定义的非周期性的数据传递。要特别指出：一旦低优先级任务开始被处理，即使此时到了一个新的高级任务，它也必须等待到下一次令牌循环才能被处理；在一个任务的执行过程中，即使Ｔｍ耗尽，令牌仍要等待，直到该任务被完全处理完，包括出错重传等，直至收到确认为止。２．３．３．５Ｔｏｋｅｎ．Ｐａｓｓｉｎｇ协议的状态机１、主站状态机如图２．７所示：当系统上电后，主从站点均处于Ｏｆｆｌｉｎｅ（０）状态，装入系统参数。从站点进入ＰａｓｓｉｎｇＩｄｌｅ（１０）状态，从而在被激活后开始对总线被动监听。若收到发到总线上的报文中的接收地址与自己的地址对应相符，它就给出相应的一个响应或一个数据答复以示收到，完成一次正常通信应答。当主站已经处在逻辑环上时，则在Ｏｆｆｌｉｎｅ后进入ＬｉｓｔｅｎＴ０ｋｅｎ（１）监听令牌状态。它根据收到的令牌情况首先建立一个ＬＡＳ表，表明逻辑环上已有主站的列表，从而得知逻辑环上活动主站的地址。然后，该站就等待前一个主站发出的Ｒｅｑｕｅｓｔ．ＦＤＬ－Ｓｔａｔｕｓ指令，并发出答复响应“己在环上’’，即成为逻辑环上的正式成员，经过Ｒｅｑｕｅｓｔ．ＦＤＬ－Ｓｔａｔｕ／ＲｅｐｌｙＡｃｔｉｖｅＡｃｔｉｖｅ后新加入者才能进入逻辑环。此后，它进入Ｉｄｌｅ（２）状态，监听总线上有无合适于自身地址的报文帧。此时，该主站就如同处于Ｐａｓｓｉｖｅ．Ｉｄｌｅ的从站一样，所不同的是主站点在收到令牌帧后，转换进入ＵｓｅＴｏｋｅｎ（４）状态。若经过长时间监听总线后，仍旧收不到令牌，则进入ＣｌａｉｍＴｏｋｅｎ（３）状态，以准备重新初始逻辑环或准备产生新令牌，建设新的逻辑环。在正常运行情况下，经过一段时间的等待，该主站会得到令牌，则从Ｕｓｅ．Ｔｏｋｅｎ进入ＣｈｅｃｋＡｃｃｅｓｓＴｉｍｅ（６）状态，开始计算持有令牌的时间ＴＴＨ，决定是否继续持有令牌或是交出令牌。如果此时ＴＴＨ＞０，则回到状态（４），执行其与从站间的周期性的数据交换操作。若某次操作需要响应答复作为确认，则由状态（４）进入等待响应状态，即ＡｗａｉｔＤａｔａＲｅｓｐｏｎｓｅ（５），直至收到响应答复。如果收到响应答复，则它重发试探一次，若仍没有响应答复，则产生一个出错警告给上层的用户。主站与从站的数据交换一直持续到令牌持有时间ＴＴＨ消减到０，然后转入ＰａｓｓＴｏｋｅｎ（７）状态，将令牌交给下一主站（ＮＳ）。此时还要检测令牌是否被正确收到，即进入ＣｈｅｃｋＴｏｋｅｎＰａｓｓ（８）状态。如果下一站没有在接收到令牌后给予回复，该主站进入ＡｗａｉｔＳｔａｔｕｓＲｅｓｐｏｎｓｅ（９）状态且等待一定时间，直到收到此回复信号，才回兰州大学研究生学位论文图２．７ＰＲＯＦＩＢＵＳ的通信管理状态机到ＡｃｔｉｖｅＩｄｌｅ（２）的最初状态。然后，等待下一次令牌的到来。若一直收不到此信号，则认为令牌丢失，重新回到ＰａｓｓＴｏｋｅｎ（７）状态，准备再次发出令牌。２、从站状态机如图２．８所示：从站如主站那样也有确定的各种状态。相比主站的ｎ种状态变化而言，从站的状态和变化条件简单得多。从站在上电或复位后，进入Ｗａｉｔ．Ｐｒｍ等待初始化参数状态，即等待总线上由Ｃｌａｓｓ２主站发来的ＳＥＴ－Ｓｌａｖｅ－Ａｄｄ指令，以改变本身的默认地址。通常从站上有非易失性存储器，如ＥＰＲＯＭ等，可以保存该地址。如果不需要改变地址，从站将直接接受Ｐｒｍ—Ｔｅｌｅｇｒａｍ参数赋值指令。其携带两部分参数。然后，从站进入Ｗａｉｔ—Ｃｆｇ等待组态初始化。即跟在参数赋值指令后面的是组态初始化指令。它定义系统要输入输出的数据结构的详细情况。即主站通知从站要输入输出数据的字节数量、哪一个模块是输入或输出等，以准备开始周期性的ＭＳＯ数据交换。当从站接受的参数赋值及初始化过程完成后，就转入Ｄａｔａ－Ｅｘｃｈ状态，进行与主站的周期数据交换。兰州大学研究生学位论文参积化出周期性交换图２．８ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ从站的状态机２．４小结本章主要介绍了ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线技术和基于Ｔｏｋｅｎ－Ｐａｓｓｉｎｇ的主从轮询的ＭＡＣ层存取协议，详细分析了总线的物理层，数据传输格式、总线逻辑环的管理、任务信息的分类和主站从站状态机。本章是本论文的理论基础。兰州大学研究生学位论文３ＰＲＯｎＢＵＳ．ＤＰ的数据通信模式从分析了ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ“基于Ｔｏｋｅｎ．Ｐａｓｓｉｎｇ的主从站轮询’’的机制，得知ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ使用的是复合机制，其由两部分内容组成：主站间的令牌传递和主从站间的轮询。因此，网络除了主站的管理和维护数据外还有大量的主从站间的检测和控制数据的传输，占据了网络流量的绝大部分。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ中的数据通信模型如图３．１所示。１类主站２类主站Ｆｉｅｌｄ．ＤｅｖｉｃｅＭＳ２ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰＰＲＯＦｌＢＵＳ．ＤＰＭＳＯＭＳｌ从站模型ＭＳ２图３．１ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ的数据通信模ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ中有３种站点：Ｃｌａｓｓｌ、Ｃｌａｓｓ２主站和从站，它们以不同的模式互相交换参数和用户数据。在检测控制数据的周期性交换中，从站将由现场设备输入的数据传送到主站，经过控制器计算后回到相应从站，并输出结果给现场设备，完成控制的一个闭环循环，这种Ｃｌａｓｓｌ主站与从站的Ｉ／Ｏ端口间周期性交换输入输出数据的通信模式称为ＭＳ０，是ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ最基本的任务，占了ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ总线通信的绝大部分，代表了一个现场总线系统的性能特点，其通信时间对提高控制系统的精度和效率至关重要，是评价和研究ＰＲＯＦＩＢＵＳ实时性能的主要方面，是ＤＰ．Ｖ０的主要内容，也是后来的新版本ＤＰ．Ｖ１，ＤＰ．Ｖ２的基础。非周期性数据交换服务分成两大类型，从站与Ｃｌａｓｓｌ主站间的非周期数据通信称为ＭＳｌ，从站与Ｃｌａｓｓ２主站间的非周期数据通信称为ＭＳ２。３．１ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ主站和从站结构兰州大学研究生学位论文３．１．１一类主站的结构一类主站的结构如图３．２所示，这里主要说明一类主站中用户接口的结构。用户接口主要由三个功能块组成，分别是：Ｓｌａｖｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ状态机、Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ状态机和Ｓｅｒｖｉｃｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ状态机。１、Ｓｌａｖｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ状态机Ｓｌａｖｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ状态机功能块控制主．从通信。该状态机根据从站状态做出相应处理，有固定的处理次序，每次调用Ｓｌａｖｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ状态机产生一个ＤＤＬＭ请求。用户厂拿Ｓｅｔ．ＭｏｄｅＭｏｄｅ—ＣｈａｎｇｅｄＭａｒｋＧｌｏｂａｌｔｔｔ主站参数从站参数总线参数、ＬＨ数据Ｉｌ输入一妻善Ｈ誓霎羹卜Ｓｔｏｐ厂主主站间通信功能Ｇｅｔ－Ｍａｓｔｅｒ－ＤｉａｇＳｔａｒｔ－Ｓｅｑ、Ｃｏｎｔｒｏｌ＼状态管理Ｏｆｆｌｉｎｅ／对各种服务处理对从站处理１＼……１１０ｌｏａｄ／Ｓｔａｒｔｓｔ叩ｒ、ｎｎｔｉｎ¨ｐｐ、√Ｖ１１‘■儿Ｕ－Ｖ－１Ｃｌｅａｒ厂Ｒｅｓｅｔ、Ｍａｓｔｅｒ－Ｉｎｔ厂、Ｓｌａｖｅ－ＤｉａｇＧｌｏｂａｌ．ＣｏｎｔｒｏｌＬＳｅｔ．ＰｒｍＳｅｔ．Ｂｕｓ－ＰａｒＣｌ止－Ｃｆｇ＼／＼、脚。ｎｄｅ卜触、／１图３．２Ｃｌａｓｓｌ主站的逻辑结构示意兰州大学研究生学位论文２、Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ状态机Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ功能块规定调入相应Ｓｌａｖｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ、网络上报文的顺序，以及控制全局的状态转换。Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ必须保证两次从站轮询环之间的规定时间。而且，Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ在电源启动时必须初始化ＤＤＬＭ并复位Ｓｌａｖｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ状态机，本地生成的ＦＤＬ事件或错误、ＤＤＬＭ事件或错误也由Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ来评估。Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ所控制的全局转换状态包括以下部分。Ｏｆｆｉｃｅ（离线）：用户接口无动作执行，ＤＤＬＭ功能被暂停执行；Ｓｔｏｐ（停止）：锁住Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ状态机，处理主．主通信的ＤＤＬＭ功能；Ｃｌｅａｒ（清除）：Ｓｌａｖｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ态机处于活动状态，从ＤＰ从站读入输入数据，但返回安全数据给ＤＰ从站；Ｏｐｅｒａｔｅ（运行）：Ｓｌａｖｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ状态机处于活动状态，将用户的输出数据传送ＤＰ从站。３、Ｓｅｒｖｉｃｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ状态机Ｓｌａｖｅ．Ｈａｎｄｌｅｒ状态机功能块进行本地管理和控制，如加载总线参数集功能。３．１．２二类主站的结构二类主站的结构如图３．３所示。在二类主站中不存在用户接口，二类主站的用户直接将其功能映射到ＤＤＬＭ接口，用户利用这些ＤＤＬＭ功能处理与ＤＰ从站的１类主站的数据交换。主．从通信处理状态机和主．主通信处理状态机分别处理相应的通信事务。主．主通信由二类主站启动，一类主站可以不用立即对这些通信请求进行应答，此时，二类主站将不会报错，而是循环地轮询一类主站，直到它提供应答数据。Ｃｌａｓｓｌ和Ｃｌａｓｓ２主站间通信服务解释如下：Ｓｔａｒｔ．Ｓｅｑ：启动参数数据的下载。Ｄｏｗｎｌｏａｄ：装入参数（从站参数或总线参数）。Ｕｐｌｏａｄ：取参数。Ｅｎｄ．Ｓｅｑ：参数下载／上传过程的中止。Ａｃｔ．Ｐａｒａ．Ｂｒｃｔ：一个Ｃｌａｓｓ２主站能激活系统中各个主站的数据。Ａｃｔ．Ｐａｒａ：激活一个参数集。兰州大学研究生学位论文用户Ｊ／厂主从站间通信功能厂ＦＭＡｌ／２功能Ｒｅｓｅｔ－ＦＭＡｌ／２Ｓｌａｖｅ－ＶｉａｇＲｅａｄ一、，ｒａｌｕｅＦＭ【Ａ１／２Ｇｌｏｂａｌ．ＣｏｎｔｒｏｌＩｄｅｎｔＦＭＡｌ／２＼、＼厂主主站间通信功能Ｇｅｔ－Ｍａｓｔｅｒ－Ｄｉａｇ、、Ｓｅｔ．ＰｒｍＣｈｋ－ｃｆｇＳｔａｒｔ－ＳｅｑＵｐｌｏａｄ＼／ＲＤ－ｌｎｐ＼Ｄｏｗｎｌｏａｄ／Ｐ伽印／主从站的通信主主站的通信ＤＤＬＭ层厂Ｒｅｓｅｔ．ＥｖｅｎｔＳｅｔ．、，ａｌｕｅ、厂、ＳＲＤ帧Ｒｅａｄ．ＶａｌｕｅＳＤＮ帧Ｒｓａｐ－Ａｃｔｉｖａｔｅ～一＼／ＦＭＡｌ／２ＦＤＬ图３．３Ｃｌａｓｓ２主站的逻辑结构示意３．１．３从站结构ＤＰ从站的结构如图３．４所示。在ＤＰ从站中，用户与用户接口之间没有明显的接口，用户接口被创建为数据接口，用户利用ＤＤＬＭ提供的主．从数据通信功能与ＤＰ主站进行数据交换，ＤＤＬＭ也提供功能服务。３．２ＧＳＤ文件在ＰＲＯＦＩＢＵＳ的应用发展过程中，人们对每一个从站设备事先定义了其相应的参数集合，称为通用站点描述参数集（ＧｅｎｅｒａｌＳｔａｔｉｏｎＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ，ＧＳＤ）文件，其中包括了反映通信特性的数值、用户数据格式长度等信息。ＰＲＯＦＩＢｕＳ．ＤＰ、Ｖ１、Ｖ２支持多种主站和从站间的数据交换方式。一般来说，主站是由ＰＣ或ＰＬＣ等组成，变化较少，而从站则可从简单类型的不含ＭＰＵ的机型，到具有智能功能、可以完成一些预处理任务的机型，有很大不同。从站在某种意义上可被理解成有多种数据类型的远程Ｉ／Ｏ端，如各类传感器、执行器、数兰州大学研究生学位论文从站用户界面处理。ｓｃｔ—ｓｈｖｃ枷ｄ】厂、Ｓｌａｖｅ－ＤｉａｇＳｅｔ－ＰｒｍＣｈｋ－Ｃｆｇ厂Ｓｌａｖｅ－ＩｎｐｕｔＥｎｔｅｒＬｅａｖｅ、Ｌ／Ｌ／本地服务功能、数据传输服务功能ＤＤⅨ层厂Ｒｃｓｅｔ、厂、ＳＲＤ帧ＳＤＮ帧Ｓｅｔ－ＶａｌｖｅＲｓａｐ－ＡｃｔｉｖａｔｅＬ／／ＦＭＡｌ／２ＦＤＬ图３．４从站的结构图字、模拟量、Ｉ／Ｏ等，在结构上大相迥异。其面向的应用对象和环境不同，生产厂商的不同等也决定了从站在结构上的巨大差异。为了统一对从站的描述定义，使主站能够快速简单且可靠安全地获知从站的特性、参数等，有必要建立一个有统一格式的描述方式。ＧＳＤ文件可称为电子设备数据文件，是由生产从站的厂商按照统一格式建立的一个电子文件。从某种意义上讲，ＧＳＤ是从站设备的一个电子牌的使用手册。主站厂家均提供一个初始化和组态配置工具软件，在建立系统时，它首先从此手册中读取各从站ＧＳＤ文件，从中取出各站设备的数据参数，形成主站的参数数据库。ＧＳＤ文件一般可分为３个部分：（１）总规范：包括了生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率、监视时间间隔、总线插头指定信号等。（２）与ＤＰ有关的规范：包括适用于主站的各项参数。如允许从站个数、上传／下载能力等。（３）与ＤＰ从站有关的规范：包括了与从站有关的一切规范，如输入输出通道数、类型、诊断数据等。兰州大学研究生学位论文３．３初始化３．３．１从站初始化过程中的主站各种服务和ＳＡＰ点图３．５主从站间各种服务功能从站初始化的实质是从站加入系统过程的初始化。从站接受主站发过来的通信参数和对输入输出数据结构的定义后，才融入主站对其的管理中，因此从站状态机的转换是受主站直接影响的。从站与两类主站间的初始化阶段中的信息交互过程复杂，如图３．５所示。而这些控制指令都是统一用ＳＤ２帧来实现的。因此，这些服务的不同是需要利用ＳＡＰ服务点的不同来表示的。主站对从站报文帧中的不同ＳＡＰ（服务节点）代表着不同的服务功能，表３－１和表３—２列出了从、主站方的ＳＡＰ值，印ＤＳＡＰ和ＳＳＡＰ。袭３－１从站初始化过程中从站～方的ＳＡＰ值＜ＤＳＡＰ）ＳＡＰ指＿令功能Ｄａｔａ－ＥｘｃｈＤＵＭａｓｔｅｒ－ＳｌａｖｅＤＵＳｌａｖｅ－Ｍａｓｔｅｒ默认ＯｕｔｐｕｔＤａｔａＩｎｐｕｔＤａｔａＳＣ０ｘ３６Ｏｘ３７０ｘ３８Ｍ．Ｍ通信Ｓｅｔ－Ｓｌａｖｅ－ＡｄｄＲＤ－ｈｐＳＣＳＣ地址ＩｎｐｕｔＤａｔａ兰州大学研究生学位论文０】【３９ＲＤ—ＯｕｔｐＧｌｏｂａｌ．ＣｏｎｔｒｏｌＣｏｎｔｒｏｌＩｎｐｕｔＤａｔａＯｘ３Ａ０ｘ３Ｂ０ｘ３ＣＧｅｔ－ＣｆｇＳｌａｖｅ－Ｄｉａｇ初始化诊断参数值初始化ＳＣ０ｘ３Ｄ０ｘ３ＥＳｅｔ．ＰｒｍＣｈｋ－ｃｆｇＳＣ表３．２从站初始化过程中主站一方的ＳＡＰ值（ＳＳＡＰ）ＳＡＰ指令功能Ｄａｔａ—Ｅｘｃｈａｎｇｅ内容周期性数据交换默认０ｘ３ＥＭＳＣＹｌＭ对各从站逐个询问３．３．２从站的参数赋值过程从站初始化过程中的一个主要环节是运行参数的赋值（Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ），即由主站（一般由Ｃｌａｓｓ２主站）将建立与从站通信时所需的参数赋给从站，并指定从站工作状态。同时从站也能从此过程中得知应与其通信的主站的地址，即其从属主站是谁。运行参数中包括了两种类型的数据：一是ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ规约中规定的标准参数，主要是与双方通信过程的时间相关的几个参数，对建立正确的通信过程是十分必要的；二是与该从站相关的参数，包括了其分模块信息，在总线上的分组标识及生产厂商指定的附加信息等，这部分参数均在从站设备的ＧＳＤ文件中。所有运行参数由主站上的组态工具软件在初始化系统时从ＧＳＤ中读出，然后由主站使用Ｓｅｔ．Ｐｒｍ帧向从站传送。Ｓｅｔ．Ｐｒｍ是一个变长类型帧，帧结构如下：ＳＤ０ｘ６８ＬＥＵｅｒＸＳＤＤＡ８ｘＳＡ８ｘＦＣＤＳＡＰＯｘ３ＤＳＳＡＰ０＝Ｉ【３ＥＤＵＦｃＳＥＤ０ｘ１６ＸＸＸＸＸ该指令中的服务点为ＤＳＡＰ＝６１（０ｘ３Ｄ），ＳＳＡＰ＝６２（０ｘ３Ｅ）。所有的参数包括在ＤＵ域中，ＤＵ域长度根据参数多少的不同而有所不同，其长度在７＂～２４４之间可变。ＤＵ中的前７个字节对应了ＰＲＯＦＩＢＵＳ标准中规定的７个必需参数，对任何从站都不能缺少。字节８、９、１０则是与ＤＰ．Ｖ１标准相关的，它和后面用以存放生产厂商相关参数的字节。兰州大学研究生学位论文３．４组态配置主站在对系统初始化参数赋值完毕后，即开始对各个从站发送进行组态配置（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）的报文帧，定义要交换的输入输出数据的结构，通知从站在周期性数据交换中有多少字节的数据。组态实际上就是现场数据的组合描述，以方便主站上的调用和应用层的用户应用。组态配置的参数中包括了如主站输出和从站输入的数据长度、从站的模块化结构等参数信息。其目的在于使一类主站能有效地与从站通信。在做组态配置时，主站必须正确地获知从站上要交换数据的输入输出模块区域的范围和结构，即根据从站槽（Ｓｌｏｔ）的情况约定要交换数据的字节或字结构。一般的从站设备均是以多个槽为基本逻辑单元而构成其数据结构。一个槽可以看做是一个模块（Ｍｏｄｕｌｅ）。模块则对应了物理上的输入输出具体功能点，如数字量或模拟量的Ｉ／０模块等，空槽则以空模块表示。ＤＰ从站一般有固定模块结构和可变模块结构两种模块结构。每一个物理上的模块可用一个二进制码表示，有如下２种格式。ａ、完备格式每一个模块对应了一个定义字码。可以在此字节中对本模块中多达１６字节或字长的输入输出数据进行描述。Ｂ、特殊格式在ＤＵ域中使用多个字节定义一个模块。用此方式可对最多６４个字节／字的数据进行描述。诊断（Ｄｉａｇｎｏｓｅ）指系统对通信过程、硬件外设等发生错误的记录和反应，的信息：系统状态信息和系统诊断信息。状态信息用于反映系统的普通状态，而３１３．５诊断且以诊断信息的形式传输给主站。在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中设置了两种能反映系统状况诊断信息则表示系统出错时的情况。当Ｅｘｔ．Ｄｉａｇ被设置时，还会由主站自动对从站的状态进行一次详测，一旦发现问题，主站则调用一个错误处理程序加以处理，错误消除，从站则置Ｅｘｔ．Ｄｉａｇ为０，即把对错误的诊断信息级别降低为状态信息级别。在ＰＲＯＦＩＢＵＳ系统初始化期间，参数的赋值和配置初始化对系统的兰州大学研究生学位论文正常构建和稳定运行非常重要。因此，伴随着从站的初始化每一步，主站都会默认地自动发出诊断请求（Ｄｉａｇｎｏｓｅ．Ｒｅｐｕｅｓｔ），从站会立即以高优先级方式予以响应，给出６个字节的诊断信息，报告自身的状况。此外，在从站的任何状态，如进入正常的数据周期交换阶段后，若从站或外设出现错误，从站也可以主动向主站发出示意，表示目前有一个诊断信息数据已等在发送队列中，主站是在下一个周期的操作中发生诊断请求，以取走诊断信息数据。当主站欲查知从站的状态时，即向该从站发出一个Ｄｉａｇｎｏｓｅ（ＤＵ为空的ＳＲＤ帧），其ＤＳＡＰ＝６０，结构如下：ＳＤ０ｘ６８ＬＥＬＥｒＳＤｘ６８ＤＡＳＡＦＣＤｓＡＰＳＳＡＰＦＣＳＥＤＸＸ８ｘ８ｘＸ０ｘ３Ｃ０ｘ３ＥＸ０ｘ１６从站接到主站发来的请求后，即响应以一个Ｄｉａｇ．Ｒｅｓ帧，其ＤＵ域中包含诊断信息数据。ＳＤ０ｘ６８ＬＥＵｅｒＸＳＤｘ６８ＤＡＳＡ８ｘＦＣＤＳＡＰＳＳＡＰ０ｘ３ＣＤＵＦＣＳＥＤＸ８ｘＸ０ｘ３ＥＸ．．ＸＸＯｘｌ６ＤＵ长度在６＂－－２４４字节间，其包括了两部分的从站诊断信息：一是前６个字节基本标准诊断信息，其长度固定，内容与位置已在ＩＥＣ６１１５８标准中明确的定义；二是从第７字节起，存放与设备或用户相关的一些特殊诊断信息内容，分为多个诊断信息块，其格式则具体由用户而定。图３．６报警信号产生时的帧时序兰州大学研究生学位论文在正常的周期性数据交换进行中，一旦从站上发生了异常，则从站在返回主站的数据帧中，置ＦＣ＝０ｘ０Ａ，将此时的数据作为高优先级的数据进行响应，且表明自己有诊断信息要报告。主站收到后，就在下一次的系统周期中停止对该从站的周期性轮询，而是发出一个Ｄｉａｇ．ｒｅｑ，从站则回以Ｄｉａｇ．ｒｅｓ报告报警信息的具体内容。主站收到后，给出ＡＬ－Ａｃｋ，表示收到了此报警，然后进行相应的处理过程。报警信号产生时的帧时序如图３．６所示。３．６ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ通信版本３．６．１ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰＶＯＤＰ．Ｖ０为ＤＰ通信的基本配置，其主要内容是周期性数据交换ＭＳ０，周期性数据交换ＭＳ０发生在一类主站和从站之间，主站周期性与从站加口交换数据。如果主站要与从站进行周期数据交换，要预先在硬件组态时设定与从站交换的Ｉ／０数据。从站上电后，主站对从站进行初始化，如果没有问题，从站进入数据交换状态，与主站进行周期性数据交换。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ周期性数据交换，用户不需要编写通信程序，可以透明访问从站Ｉ／Ｏ。大部分控制都是由周期性数据交换实现的，闭环控制采样周期主要由周期性数据交换的数量和通信速度决定。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰＶ０除具有以上正常的数据交换功能外，还具有如下功能【ｌｌ】：●诊断功能通过ＤＰＶ０的ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ诊断功能，可以对站、站的组成模块、模块中的Ｉ／Ｏ通道进行３级（站点诊断、模块诊断、Ｉ／Ｏ通道诊断）故障诊断和定位诊断信息可以在总线上传输，并由主站进行统一的接收。·监控与保护功能ＤＰＶ０具有通信时间监控功能，ＤＰ主站对每个从站都设定有的监控定时器，通过定时器可以监视从站的通信时间。如果在规定的监视时间内，没有完成数据传送传输操作，ＤＰ主站将出现超时报警，报警可以通过ＰＬＣ用户程序进行检测与必要的处理。ＤＰ从站同样具有监控功能，如果在设置的时间内没有完成数据通信，从站将被自动切换到故障安全状态。在多主站系统中，从站具有网络访问保护功能，只有授权的主站才能直接访问从站。·网络控制功能兰州大学研究生学位论文通过ＤＰ主站的功能配置，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ主站可以对ＤＰ从站进行动态激活与关闭，动态激活或关闭从站数量、ＤＰ从站地址也可以根据要求进行设置，还可以进行从站输入／输出数据的格式、诊断报文的格式、ＤＰ从站的配置等设定。◆同步与锁定功能“同步（ＳＹＮＣ）”是主站控制网络中的从上输出同步的功能。进入同步模式前，主站首先将同步命令发送到指定从站，从站在接收到主站的同步命令后，输出将锁定在当前状态，并进入同步输出模式。输出状态的改变必须等到主站发出输出刷新命令时才能进行。“锁定（ＦＲＥＥＺＥ）＂指令是控制从站输入同步的功能。从站进入锁定模式后，主站中来自各从站的输入数据将被锁定在当前状态。输入数据的刷新必须等到主站发送下一个锁定命令才能进行。３．６．２ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰＶｌ随着ＰＲＯＦＩＢＵＳ的进一步推广，应用领域的扩大，尤其是在流程控制行业的应用使得从站的规模增大，结构复杂化。如从站更多地采用了模块化结构，需要主站控制器不是如在ＤＰ．Ｖ０中那样一次执行对一个从站整体的写入／读出数据，而是能对从站中的某一个模块单独进行数据的写入／读出操作。同时，流程行业中的应用常常要求在运行过程中对单个模块的参数进行修改，也要求更可靠的和丰富的报警功能，能突破令牌循环周期的，更快地将从站收信到的报警信号上传到控制主站。ＤＰ－Ｖ１就是在ＤＰ．Ｖ０基础上发展的新标准，其最大的变化是新定义了非周期性数据交换，引入了更为复杂的数据结构、新的初始化参数以及定义了扩展的报警通信模型，允许主从站间在进行周期性数据交换之外，也能进行非周期性的、偶发数据交换。非周期性数据交换服务分为两大类型，从站与Ｃｌａｓｓｌ主站间的非周期数据通信称作为ＭＳｌ，从站与Ｃｌａｓｓ２主站间的非周期数据通信称作为ＭＳ２。ＤＰ．Ｖ１增加了如下功能：●非循环数据交换功能非循环数据交换是一种并行、优先级较低的数据传输方式，用于网络参数的设置、诊断和报警处理。非循环数据交换可以在主站与从站之间进行。一类ＤＰ主站可以通过非循环数据交换方式读／写从站的数据块，主站还可以进行从站的参数设置；主站向从站非循环地写指定数据，如果需要也可以在同一周期内执行数据传输操作。兰州大学研究生学位论文·ⅢＣ６１１３１．３标准通信“基于ＩＥＣ６１１３１．３的通信与代理（Ｐｒｏｘｙ）功能块＂是一种与制造商无关的标准通信协议，是ＰＲＯＦＩＢＵＳ用户组织为了传统的通信平台而提供应用程序接ｒｅ（ＡＰｔ）。在ＤＰ．Ｖ１版本上可以使用ＩＥＣ６１１３１．３的通信方式。·故障．安全通信（ＰＲＯＦＩｓａｆｅ）ＰＲＯＦＩｓａｆｅ可以用于故障．安全型控制器的通信协议，它可以进行故障．安全设备之间的ＰＲＯＦＩＢＵＳ通信。·扩展的诊断功能在ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰＶｌ中，ＤＰ从站通过诊断报文将报警信息传送给主站，主站收到后发送确认报文给从站；从站收到确认报文后只能发送新的报警信息，以防止多次重复发送同一报警报文的情况，而从站工作状态报文发给主站后，不需要主站确认。３．６．３ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰＶ２为了更好地满足对工业现场中运动控制时间要求，ＰＩ组织在制定ＩＥＣ６１１５８标准时扩展了对ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ．Ｖ１原有的功能定义，增加了许多与时间同步和数据直接交换相关的定义。与ＤＰ．Ｖ１名称引入相似，将经过扩充后的功能集全称为ＤＰ．Ｖ２。ＤＰ．Ｖ２主要包括如下几个方面：·等时同步模式（ＩｓｏｃｈｒｏｎｅＭｏｄｅ，ＩｓｏＭ）。利用同步（Ｉｓｏｃｈｒｏｎｅ）功能，可以使主站和从站同步，其时间误差可以小于ｌｍｓ。通过“全局控制广播报文”，所有ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ设备将被周期性地同步到总线主站的循环。·从站间的快速数据交换在ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰＶ２中，从站与从站之间也可以采用“广播’’方式通信，从站可以作为发送方在不经过主站的情况下，将信息直接发送给接收方从站，这样，从站可以直接读入其他从站的数据，从而可以减少总线的响应时间。◆功能请求功能请求（ＦｕｎｃｔｉｏｎＩｎｖｏｃａｔｉｏｎ）Ｊ］艮务用于ＤＰ从站的程序控制（启动、停止、返回或重新启动）和功能调用。●区域装载兰州大学研究生学位论文区域装载功能允许用少量的命令，装载任意现场设备中任意大小数据区，因而不需要人工的装载操作，就可以更新程序或更换设备。◆时钟控制与时间标记（ＴｉｍｅＳｔａｍｐｓ）通过用于时钟同步的新连接，主站可以将时间标记发送给所有的从站，使得从站的时间同步到系统时间上，其时间误差小于ｌｍｓ，从而实现高精度的时间控制。·ＨＡＲＴ总线连接ＨＡＲＴ是一种应用较广的现场总线，ＨＡＲＴｏｎＤＰ协议可以将ＨＡＲＴ的客户．主机．服务器模型映射到ＰＲＯＦＩＢＵＳ网络中。为了传送ＨＡＲＴ报文，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ定义了的通信通道。●冗余（ＲｅｄｕｎｄａｎｃｙＣｏｎｃｅｐｔ）。冗余（Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）是指系统资源备份，俗称双机工作模式。以使得当某一部分设备出现错误，不能正常工作后，备份的设备能够快速切换至主工作方式。以维持整个系统的顺利运行而不至于因局部设备的出错而影响到整个系统的运行。在ＰＲＯＦＩＢＵＳ的冗余概念中有３种不同方面上的冗余技术：主站冗余、总线冗余和从站冗余。３．７小结本章主要研究了主从站结构及它们之间的通信服务功能、主从站的初始化过程、组态配置、诊断过程和ＤＰ．Ｖ０、ＤＰ．Ｖ１、ＤＰ．Ｖ２三个牌的功能。Ｃｌａｓｓｌ主站与从站的Ｉ／ｏ端口间周期性交换输入输出数据的通信模式ＭＳＯ占了ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ总线通信的绝大部分，代表了一个现场总线系统的性能特点，其通信时间对提高控制系统的精度和效率至关重要，是评价和研究ＰＲＯＦＩＢＵＳ实时性能的主要方面，是总线时间行为研究的重点。兰州大学研究生学位论文４ＰＲｏＦＩＢＵＳ．ＤＰ时间特性分析评价一个现场总线系统性能的一个主要方面，是看它对外界事件的响应速度，即实时性能的高低。实时性是将网络技术运用于控制领域需要解决的主要矛盾之一。随着生产工艺对控制要求的提高，控制系统对网络的实时性能要求越来越高。一般来说，对现场事件的发生有ｌＯｍｓ左右的事件实时响应能力就可以满足绝大多数工业现场控制的要求。ＰＯＲＦＩＢＵＳ．ＤＰ系统的实时响应时间依赖于ｍａＸＴｓＤＲ、采用的传输速率、要交换的数据长度和数量、ｍｉｎ—Ｓｌａｖｅ—Ｉｎｔｅｒｖａｌ（某一个从站前后２次被主站轮询的最小间隔时间）四个参数。系统的测控周期（又称访问周期）是指控制系统周期性访问网络上同一个节点的时间间隔。它是衡量ＰＯＲＦＩＢＵＳ．ＤＰ实时性能的一个重要指标。而令牌目标循环时间ＴａＲ是影响现场总线系统实时性能的一个关键因素。Ｔａｘ的设置方法已经在Ｔｏｖａｒ【１２】的文章中说明，它提出了对ＴＩＲ参数设置一个可接受的最小值的方法。在Ｖｉｔｔｕｒｉｌｌ３】的研究中虽然没有对ｈ的计算设置提出任何方法，但为了使总线循环时间基本上保持一个稳定值，它认为对不可预测的ＦＤＬ－请求应该尽量被避免。在Ｔｏｖａｒ的时间特性相关【１４１文章中简要叙述了可以把ｈ确定在一个恰当的范围内的方法，这个方法是要充分考虑到在总线上周期性和非周期性的通信量的大小。在Ｃａｖａｌｉｅｒｉ【１５】的阐述中概述了在最恶劣情况下对响应时间的评估，它研究的结果可以用来计算‰的最小值。在ｋｅＩｌ６Ｊ的文中描述了一种使用遗传算法来计算ＴＴＲ的方法，并提出调节Ｔａｘ值对于网络性能的好处。本文从分析了ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ数据通信中时间特性入手，研究了影响系统数据交换、令牌传递、系统状态检查的各时间参数行为，应用随机过程建立了总线循环时间的数学模型，并重点讨论了目标循环时间ＴＴｇ和实际循环时间风的关系，最后提出了改善系统实时性能方法。４．１测控周期在现场总线实时分布式网络控制系统中，不同的节点需要通过总线交换实时信息。为了保证实时性，从发送端应用任务产生信息到相应的接收端应用任务收到该信息之间的通信时延必须是有时间的。信息在这个循环过程中的延时有多个因素组成，如信息在本地的排队延时、协议处理时间和传播时间、总线传兰州大学研究生学位论文送时间，以及接触通信介质所经历的时间等。Ｔ＇ｍｄｅｌｌ和Ｂｕｒｎｓ将这个总时延称为端端通信时延（Ｅｎｄ．ｔｏ．Ｅｎｄ周期（Ｍｅｓｓａｇｅｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｄｅｌａｙ）【１７】【１８】，国内也有人称之为测控ｃｉｒｃｌｅ），指每次主－从站点间的一次数据交换处理周期，记为Ｄｃｖｃｌ。。它由产生时延、排队地延、传输时延和发送时延四个部分组成：产生时延Ｔｇ：发送端应用任务主生信息并将信息放到排队队列里所经历的最长时间。排队时延ＴＱ：从信息进入排队队列，直到接触到通信介质所经历的时间。由于现场总线属于共享型总线，所以这个时延既包括相同网络节点内的信息竞争时间，也包括和网络上其它节点信息竞争总线通信介质的时间。ＰＲＯＦＩＢＵＳ队内信息服务形式是ＦＣＦＳ（先到先服务），不同主站节点则靠令牌的传递来占有总线。传输时延Ｔｃ：信息在通信介质上传输的时间。对于需要应答的信息传送，不但包括信息请求帧的发送时间，也包括响应帧的发送时间。它主要取决于总线的通信速率和传送的信息帧的长度。发送时延Ｔｄ：接收端处理信息并发送给目的应用任务所经历的时间。这涉及到信息的解码、重新装配多包信息、在缓冲区之间拷贝数据和向发送端发送接收到信息确认指令。因此，对于一个截止期为Ｄｉ的实时信息来说，从发送端的应用任务产生该任务开始，到接收端的应用任务收到此信息，测控周期可以用下式估计：Ｄｃｙｄｃ＝Ｔｓ＋Ｔｏ＋Ｔｃ＋Ｔｄ为了保证实时信息传送的截止期要求，信息必须在截止期到达之前发送到目的节点【１９Ｊ，因此必须满足：Ｄｃｙｃｌｅ＝Ｄｉ一般来说，Ｔｇ、Ｔｄ和站点的宿主机的性能有密切关系，而ＴＱ、Ｔｃ反映了控制网络的通讯能力。因ＴＱ、Ｔｃ引起的时延统称为传送延时，记为Ｒｈ。在多主站的分析中，因Ｔｇ、Ｔｄ相对不同情况变化不大，所以Ｄ。ｙｃｌｃ可简化写成：‰一毛＋口乏其中ａ为常数，可取１．１１２０１。（４。１）４．２总线时间参数兰州大学研究生学位论文为了保证数据帧在总线上的正确传输，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ中对报文帧的结构及相应的时序关系做了严格的规定，图４．１简述了一次典型的主从站数据交换过程。主站发出Ｒｅｑｕｅｓｔ帧到从站，在Ｒｅｑｕｅｓｔ帧前面要加上一个同步期Ｔｓ－，ｍ，从站收到后经过站延时时间ＴＳＤＲ向主站发出Ｒｅｓｐｏｎｅ帧，主站发出请求帧的最后一个Ｂｉｔ到收到响应帧的第一个Ｂｉｔ之间的时间间隔定义为ＳｌｏｔＴｉｍｅ，主站在收到Ｒｅｓｐｏｎｅ帧最后一个Ｂｉｔ到继续发下一帧要经过一段空闲时间１ｂ１。各时间参数图４．１一次典型的主从站数据交换过程单位按位（ｂｉｔ）计量，以秒（Ｓ）为单位的时间ｔ将被记为位时间Ｔｂｎ。由于ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ采用ＵＡＲＴ编码格式，每个字符（Ｂｙｔｅ）由１１位构成，所以传输一个字符需要１１Ｔｂｉ。。同步时间（ＳｙｎＴｉｍｅ）ＴｓｖＮ：同步时间Ｔｓ，ｍ是每个站在可以接收一个主动帧（请求或发送／请求帧）或令牌帧的开头之前应该从传输介质接收到空闲（ｉｄｌｅ）状态（ｉｄｌｅ指总线电平为矗１＂的状态）所需要的最小时间段。同步时间等于：Ｔｓ，ｍ＝３３Ｔｂｉｔ同步间隔时间（ＳｙｎＩｎｔｅｒｖａｌＴｉｍｅ）Ｔｓｖｍ：同步间隔时间‰用于监控两个连续的同步时间或两个接收器同步之间最大允许的时间间隔。这个时间由两个完整的报文循环组成，每个报文循环包括两个最大长度的帧和相关的同步时间。在其中某一个同步时间中，允许传输的扰动。１≥咖＝２×（２ｘ０３ｂｉｔ＋２５５ｘｌｌｂｉｔ））＋３３ｂｉｔ—１１３８５ｂｉｔ兰州大学研究生学位论文站延迟时间（ＳｔａｔｉｏｎＤｅｌａｙＴｉｍｅ）ＴｓｎＲ：站延迟时间ＴＳＤＲ是接收方从接到请求到产生响应数据的时间间隔。站延迟时间不能过快也不能过慢，ＰＲＯＦＩＢＵＳ中规定了此反应时间的上、下限值，即（ｒａｉｎＴＳＤＲ，ｍａｘＴＳＤＲ）。其中ｒａｉｎＴＳＤＲ＝ｌｌＴｂｉｔ，ｍａｘＴｓＤＲ＝６０Ｔｂｉｔ～８５０Ｔｂｉｔ。静止时问（ＴＱｍ）：总线上因ＮＲＺ编码原因，需的时间，即静止时间，应该满足ＴＱＵＩ＜ｍｉｎＴＳＤＲ。准备时间（ＲｅａｄｙＴｉｍｅ）ＴＲａＹ：一个主站在传送了一个请求后，在准备时间ＴＲＷＺ映Ｊ，将准备接收一个应答或回答所需的时间间隔。应该满足ＴＲＤＹ＜ｍｉＩｌ鼍ＤＲ，为了满足这个条件，延长ＴＳＤＲ是必要的。当传输的ＮＲＺｆ言号进入不同的信号编码时，在关闭发送器时的静止时间也应考虑进去。在这个时间之前，将不启动接收器：ＴＱＵＩ＜ＴＲＤＹ，为了满足这项条件，相应地延长ＴＲＤＹ和ＴｓＤＲ是必要的。建立时间（ＳｅｔｕｐＴｉｍｅ）ＴＳＥＴ：节点从接受到一个信息帧到它作出响应所需的时间。安全余量（ＳａｆｅｔｙＭａｒｇｉｎ）ＴｓＭ：如下的时间段被定义为安全余量Ｔｓｕ：１ｋ一２ｂｉｔ＋２ｘ瓦盯＋１．ＱＩＪＩ时隙时间（ＳｌｏｔＴｉｍｅ）ＴＳＬ：是发起方在传输了主动帧的最后一位之后等待接收立即应答或回答的第一个帧字符所需要的最大时间。如总线传输速率１．５Ｍｂｐｓ，则ＴＳＬ＝３００Ｔｂｉｔ。空闲时间（ＩｄｌｅＴｉｍｅ）Ｔｉｎ：是在发起方上的限期时间，即在接收一个帧的最后一位直到一个新帧的第一位在介质上被传输所经过的时间。ＴＤｌ定义了一个发送节点在获得响应信号后再次发送一个信息帧所需的最短时间；Ｔｉｎ２定义了一个发送节点发送一个非响应帧后再次发送下一个信息帧所需的最短时间。典型的Ｔｎ）１＝３７Ｔｂｉｔ。传输延迟时间（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＤｅｌａｙＴｉｍｅ）ＴＴＤ：传输延迟时间是当一个帧被传输时在发送器和接收器之间的传输介质上经过的最大时间【２１】，包括处理时延、等待时延、和网络上传输时延。超时时间（Ｔｉｍｅ＿ｏｕｔ）ＴＴＯ：超时时间‰用于监视主站和从站的总线活动性和空闲时间。监视开始于ＰＯＮ之后，此时立即处在“Ｌｉｓｔｅｎ＿Ｔｏｋｅｎ’’或兰州大学研究生学位论文“ＰａｓｓｉｖｅＩｄｌｉ＂状态，或开始于接收到一个帧的最后一位之后。监视结束于接收到后继帧的第一位之后。如果空闲时间达到ＴＩ．０，则认为总线不活动（错误，如丢失令牌）。超时时间ｋ一６×ｋ＋２ｘｎｘｌｋ，对于主站：ｎ＝站地址（０至１Ｊ１２６），对于从站：ｎ＝１３０，不依赖于它的站地址。第一项保证在两个帧之间最大可能的空闲时间有足够的差。第二项确保在一个错误发生后，在同一时刻，不是所有主站申请令牌。ＧＡＰ更新时间（ＧＡＰＵｐｄａｔｅＴｉｍｅ）ＴＧｕＤ：ＧＡＰ更新时间＂ｌｏｕｄ用于主站初始的ＧＡＰ维护。在ＧＡＰ第一次生成后，更新ＧＡＰ映像在每个区段ＴＧｕＤ后被周期性的初始化。如果在正常的报文循环后仍有可用的令牌持有时间，则初始化在下一次可能的令牌接收时发生，或初始化在后一个令牌持有期间发生。ＧＡＰ更新时间是目标轮转时间ＴＩＲ的倍数，定义如下：１矗Ｄ—Ｇ×１蠢１ｓＧｓ１００４．３系统时间行为令牌轮转时间口ｏｋｅｎＣｙｃｌｅＴｉｍｅ）ＴＴｃ：令牌循环时间【２２】ＴＩ＇Ｃ由令牌帧时间（４－２）ＴＴＦ，传输延时时间‰和空闲时间ＴＤ组成，ＴＴｃ—Ｔ仃＋％＋％。令牌帧时间ｂ由帧字符ＵＣ（ＵＡＲＴ字符）的个数决定。一个帧字符由１１个位组成，因此令牌帧总共由３３位组成。传输延迟时间取决于总线长度（不带中继器时，约５毫微秒／米），事实上它总是小于其他时间。空闲时间‰是可由系统设定，典型的ＴⅢ１＝３７Ｔｂｉｔ。如果不考虑传输延时时间Ｔｍ的影响，令牌传递时间ＴＴＣ为７０Ｔｂｉ。。多主站令牌传递时间记为ｆ，主站数量为Ｎ，则ｆ＝Ｎ×风。状态查询时间（ＦＤＬＣｈｅｃｋＴｉｍｅ）Ｔｃｈｅｃｋ：指的是逻辑环维护时间，它由查询帧、空闲时间、确认帧或时隙时间组成。ｋ一％一胁＋毛一触＋２×％＋‰＋％ｌ（ＦＤＬｗｉｔｈｒｅｓｐｏｎｓｅ）或（４—３）ｋ—ｋ胁＋砬（ＦＤＬｗｉｔｈｏｕｔｒｅｓｐｏｎｓｅ）Ｔｒｅｑｆｒａｍ。是查询帧，由６个字符组成；４１兰州大学研究生学位论文ｋｆｒａｍｃ是查询确认帧，由６个字符组成；时隙时间ＴＳＬ根据总线传输速率不同而不同。当数据信号速率Ｂａｕｄ＿Ｒａｔｅｄ、于等于１８７．５Ｋｂｐｓ时，ＴｓＬ取１００Ｔｂｉｔ：当数据信号速率Ｂａｕｄｊ之ａｔｅ等于５００Ｋｂｐｓ时，ＴＳＬ取２００Ｔｂｉｔ；当数据信号速率Ｂａｕｄｊｔａｔｅ等于１．５Ｍｂｐｓ时，ＴＳＬ］驭３００Ｔｂｉｔ。报文循环时间（ＭｅｓｓａｇｅＣｙｃｌｅＴｉｍｅ）ＴＭｃ－一个报文循环ＭＣ由主动帧（请求或发送／请求帧）和回答帧（应答或回答帧）组成。循环时间由帧传输时间、传输延迟时间和站延迟时间组成。不考虑报文重试的话：ｚｋ一五肌＋７ｋ幄＋Ｌ，置＋互Ｄｌ＋２×ｚ≥＋２ｘＨｅａｄｅｒ或（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｄａｔａ）（４—４）Ｚｋ一五，矗＋ｚｋ幔＋互口１＋２×Ｚ≥＋Ｈｅａｄｅｒ＋７ｋＴｓ瓜＝ａｘｌｌ（Ｏｕｔｐｕｔｏｎｌｙ）Ｔｂｎ，ａ是发送／请求帧中的ＵＣ字符个数；Ｔａ／ｇ＝ｂｘｌｌ％ｉｔ，ｂ是应答／回答帧中的ＵＣ字符个数；Ｈｅａｄｅｒ＝９ｘｌｌＴａｃｋ＝１ｘｌｌＴｂｉｔ，是请求和响应帧中的电文头；Ｔｂｉｔ，是确认短帧。在工程实施时，计算报文循环时间还要加上约１０％到２０％的余量。例如：一个ＰｒｏｆｉｂｕｓＤＰ系统总线传输速率为１．５Ｍｂｐｓ，ＴａＤ－－－０Ｔｂｉｌ，ＴｓＤＲ＝１１Ｔｂ“，Ｔｎ）ｌ＝３７Ｔｂｉｔ，和主站通信的从站共有２４个字符数据输入输出，求报文循环时间ＴＭｃ（忽略传输延迟时间）？１Ｔｂｉｔ＝１／１５００，０００ｂｉｔ／ｓｅｅ＝０．６６６ｌａＳ１１Ｔｂｉｔ＝（１１×６６６ｎｓ）＝７．３３３邮ＴＩＤＬ－－３７Ｔｂｉｔ＝２４．６６ＩｔｓＨｅａｄｅｒ－－９ｘ１１Ｔｂｉｔ＝９９ＴｂｎＴＭＣ＝２４ｘｌｌＴｂｎ＋１１Ｔｂｉｔ＋３７Ｔｂｉｔ＋１９８Ｔｂｉｔ＝２４６Ｔｂｉｔ＋２６４Ｔｂｉｔ＝５１０Ｔｂｉｔ＝３３９．６６１．ｔｓ总线循环时间（ＴｉｍｅＯｆａＢｕｓＣｙｃｌｅ）ＴＢｃ：它由各站点报文处理时间ｋ、令牌传递时间１ｋ、各主站上的ＧＡＰ（对逻辑环的维护）处理时间Ｔｃｈ∞Ｉ【和一些附加帧时间ＴＡＤＤ组成。瓦ｃ；∑％＋∑‰＋∑ｋ＋∑‰（４—５）兰州大学研究生学位论文在ＰＲＯＦＩＢＵＳ网络上，由数据通信产生的通信量被分为六大类【矧：（一）令牌传递；（二）二类主站接收或发送的信息；（三）用于同步的全局控制；（四）数据交换；（五）ＦＤＬ状态的请求或者响应；（六）ＳＤＮ和ＳＲＤ的低等级消息。一、三、五项在系统设定后是定值，可设为常数Ｗ。将第四、二、六项合并后写作Ｔｃｌ＝（ＴｃＨｉ，ＴｃⅡ）。Ｔｃｒｎ、Ｔｃａｕ为高、低优先级队列中第ｉ个任务的处理时间。总线循环时间可表示为：瓦ｃ。荟薹☆＋荟－Ｉｖ善。ｋ毪椰（４－６）上式中，令牌环上的主站个数为Ｎ，对第Ｋ个主站来说，第ｍ个高优先级报文的处理时间是毪，所处理的报文数量为Ｈ－，第ｉ个低优先级报文时间为毪，所处理的报文数量为Ｌ－。４．４误码率对总线循环时间的影响。当总线受干扰信号很差时，站发出的包有可能丢失，主站就要重新发包，若重新发包ｎ次后，还没有的到响应，主站认为此从站处于离线状态，跳过访问下一站。数据帧出现误码是随机的，所以报文循环时间Ｔｍ。和系统循环时间ＴＢｃ也是随机的。只要在传输字符中的１位发生错误，那么这一帧的数据传输就算失败，且每１位发生错误的几率是相互的。设一帧数据传输的错误率为ＰＥＦ，则：％＝１一［（１一ｐ）１１】。（４－７）Ｄ是帧字节总数；Ｐ是传输１位的误码率。由式（４）知，在一个报文循环中发送／请求帧共有（Ｔｓｔａ＋Ｈｅａｄｅｒ）／１１字符在传输，应答／回答帧共有（Ｔａ／ａ＋Ｈｅａｄｅｒ／２）／１１字符在传输。设发送／请求帧错误率为Ｐ一，应答／回答帧错误率为Ｐ一。则：兰州太学研究生学位论文‰－１－０一Ｐ产·＋”‰－１一Ｏ—Ｐ）“＋““由上式可知，主站与从站之间交换的加字节数越多，传输的误码率越高，出现错误的机率越大，主站重新发送请求帧的可能性也越大。报文帧错误率与误码率的关系见图４．２。引４．２于【｛殳州ｔ；｝班一＃。，泌＂５＃帕咒糸“——’’误码率１０４，“一一一”误码率１０误码率１０一。５，“一’谋码率ｌ盯６，“…”一个数据帧传输的错误率为ＰＥＦ，重发次数据帧的概率为ＰＥＦ，重发二次数据帧的概率为岛２，重发三次数据帧的概率为重发珞１－重发ｎ次数据帧的概率为只ｆ“。如果系统帧重发的次数Ｍａｘ＿ＲｅｔｒｙＬｉｍｉｔ设定为０，一个数据帧传输的次数为１；如果系统帧重发的次数Ｍａｘ—ＲｅｔｒｙＬｉｍｉｔ设定为１，。个数据帧传输的次数为Ｉ＋ＰＥｒ；如果系统帧重发的次数Ｍａｘ＿ＲｅｔｒｙＬｉｍｉｔ设定为２，一个数据帧传输的次数为ｌ＋Ｅ，＋Ｃ，２。设系统帧重发的次数Ｍａｘ＿ＲｅｔｒｙＬｉｍｉｔ为ｎ，ｏＥＦ为数据帧发送的次数，发送／诸求帧发送的次数为Ｑ昧，应答／回答帧发送的次数为ＯＥｈ。则Ｑ口一１＋％＋岛２＋Ｌ＋名４（ｒ＝ｎ）（４－８）Ｑｍ一１＋气＋‰２＋Ｌ＋‰“仁ｎ）‰，１＋‰＋乞２＋Ｌ＋匕‘忙Ⅱ）例如：数据帧传输的错误率为０．０１，系统帧重发的次数Ｍａｘ＿ＲｅｔｒｙＬｉｍｉｔ设定为２，那么要实现一个数据帧传输需要发送的次数是多少？兰州大学研究生学位论文由式（４—８）得数据帧发送的次数Ｑ！ＥＦ－１＋％＋％２鲇ａ１＋０．０１＋０．０００１—１．０１０１通过以上描述知道，在考虑错误重发情况下，帧重发所需的站延迟时间、空闲时间和传输延迟时间可忽略不计，报文循环时间设为ＴＭｃＩＬ。显然ＴＭＣｌｔ是随机变量，由公式（４．４）得ｚｋｃＲ＝（瓦值＋Ｈｅａｄｅｒ）ｘＱ踟＋（死，矗＋Ｈｅａｄｅｒ）ｘＱＩＥＦ口＋ｚ岛暇＋互Ｄｌ＋２×ｚ≥（４。９）如果系统帧重发的次数Ｍａｘ＿ＲｅｔｒｙＬｉｍｉｔ设定为１，则：Ｚ眦淑一ｚｋ＋（五肌＋Ｈｅａｄｅｒ）×ｆ纛＋（巴偶＋Ｈｅａｄｅｒ）ｘ己。则式（４．５）可进一步化简表示为：瓦ｃ。荟薹ｋ＋荟善』一ｋ朋（４－１０）上式中，令牌环上的主站个数为Ｎ，对第Ｋ个主站来说，第ｍ个高优先级报文的处理时间是ｋ，所处理的报文数量为Ｈｔ，第ｉ个低优先级报文处理时间为磁眦。，所处理的报文数量为Ｌｔ。４．５目标令牌循环时间‰对总线系统的影响根据ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的ＭＡＣ层存取控制协议分析可知，网络组态时令牌目标循环时间Ｔ弧的设定值影响着网络各主站报文发送情况，ＴａＲ的设定值将从令牌的轮转和任务在等待队列中的等待时间两方面来影响实际令牌循环时间砥，进而影响各任务的处理时间。当ＴＴａ足够大，使各种点ＴＴＨ都大于Ｏ，则每个站点都有充分的时间持有令牌处理所有的任务，系统的令牌实际循环时间砥最大，Ｔｃ砌。定义为最大的令牌环实际周期时间，即Ｔｃｙｃｌｅ＝ｍａｘ（Ｔｈ）。因要保证令牌到达每一个主站点时，有一定的时间处理至少一个高优先级队列中的任务【２４１。此时，％。荟荟‰＋荟善瑶ｃ蹦＋缈＋柚ｍ…Ｈｊａ小ｘ＿ｋ，记为№（临界值）。１、当Ｔｍ＞－Ｔｒｍ－ｃ时４５兰州大学研究生学位论文因ＴＴａ的值足够大，每个站点有足够的时间处理所有高低级别的任务，所以此时令牌实际循环时间就是所有高低级别报文处理时间、令牌传递时间、从二类主站接收或发送信息时间和同步的全局控制时间总和。‰２荟荟ｋ＋荟著‰＋∥上式中，Ｈｋ是第ｋ个主站高级别报文数量，Ｌｋ是第ｋ个主站低级别报文数量。若某个循环中系统任务数据量达到最大值，则陆就相应达到最大值。继续增大ＴＩＲ，对于一个稳定的系统来说，实验证明ＴＲＲ波动范围较小。此时％。荟丕‰＋荟荟硝锄＋∥将式（４—１１）、（４－１２）代入（４－１）得Ｎ（４－１１）（４—１２）互＝ｋ埘‰Ｃ设为最长的报文循环时间）Ｈｋ任务的最大测控周期‰ｓＺ∑‰＋三∑巧ｃ心＋形＋１．Ⅱ’觚肿ＤｃｙｃｌｅＮ球锓篇篇镊矿（Ｎｈｋ，Ｎｌｋ）＝｛攀’墒ｂ一均此时，‰。荟ｏ‘《＋ｚ‘×露）＋形对于高优先级任务，它的排队等待ＴＱ时间满足下式：（４－１４）％一岛≤％ｓ眠一腑‘）׉（４—１５）兰州大学研究生学位论文高级级任务的最大测控周期的取值范围如下：∑Ｏ‘域＋ｚ‘×露）＋形一‰＋１．珥眦脚ｓ‰爿ｓ㈣一Ｎｈ‘）×（∑Ｏ‘域＋ｚｔ×露）＋矽）＋１．Ⅱ’麟埘爿３、当Ｔｍ＝Ｗ时为了让系统能够工作，ｈ取值范围应大于等于Ｗ。当ＴｒＲ＝Ｗ时，对每个站点来说令牌都是迟到的，各站点每次持有令牌时只能处理一个高优先级任务，这种现象叫做通道情况。在此最坏情况下低优先级任务得不到响应，实际循环时间最小。如主站Ｋ上的高优先级队列中任务数为Ｈｋ，则需要Ｈｋ次令牌的同周转，才能处理完这个高优先级任务。Ⅳ此时，‰＝∑呓＋形（４－１６）Ｎ高级级任务的最大测控周期‰墨以（荟磁＋形）４．６小结本章从理论上对ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ总线各时间参数行为的分析和公式推导，应用随机过程建立了总线循环时间的数学模型，并讨论了Ｔｖａ取值变化对‰和各站点高低级任务处理情况的影响，可知：为了提高数据交换能力，保证系统的实时性和可靠性，可以采用传输速率高的总线系统，减小数据传输距离，减少站点数量，减轻系统的负载，设置合适的目标循环时间ｈ。ｈ设置合理与否，对系统的实时性能影响很大。Ｔｏｖａｒ的文章中提出了对Ｔｎｔ参数设置一个可接受的最小值的方法，如果要保证所有高低级任务都能被处理，可设Ｔａ限－－－－－－－ＴＴａＴＣ；若要任务得到最快的处理，可把任务放在高优先级队列中，可设ｈ＝Ｗ，高优先级任务平均处理时间最短，总线循环周期最快，但低优先级任务得不到处理。！州大学研究生学位论文５ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络的创建及实验结果分析５．１ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络的创建本篇论文实验中是以西门子的工业自动化设备和软件为平台，创建ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络系统。连接ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络控制系统，首先根据网络结构进行硬件连接，再利用ＳＴＥＰ７工具软件对ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ网络组态与配簧，才能对其进行编程与控制。在ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络创建时，首先创建的是主站，然后再根据需要配置不同的从站，构成网络整体。５１．１系统结构实验中多主站ＰＲＯＨＢＵＳ．ＤＰ剐络系统如图５．１所示。嘲络系统由１个￥７－３００ＰＬＣ一类主站（ＣＰＵ３１５一ＤＰ）、■个ＰＣ二类主站（ＣＰ５６１１ｍａｓｔｅｒｃｌａｓｓ２ＯＰＣｓｃｒｖｆｒ、ＣＰ５６１４ｍａｓｔｅｒｃｌａｓｓ２ＯＰＣｓｅｒｖｅｒ）、２个ｓ７．３００ＰＬＣ智能从站（ＣＰＵ３１５一ＤＰ），１１个固定式Ｉ／Ｏ从站（ＥＴ２００Ｌ）、１０个可扩展Ｉ／Ｏ从站（ＥＴ２００ＭｔＩＭｌ５３一ｌ接ｕ）所组成。系统主站与从站之间通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ（１）总线连接，构成多主站形式的ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络系统。在实验尉络中三个智能从站也加入到逻辑令牌环中，并在每次令牌持有时执行ＦＤＬ状态奄询。图５．１多主站ＰＲＯＨＢＵＳＤＰ嘲络系统５．１．２编程软件ＳＴＥＰ７ＳＴＥＰ７是一种用于西门子ＰＬＣ进行组态和编程的专用集成软件包瞄Ｉ。它通过项目的方式来管理自动化系统，其功能包括硬件组态（配置）、参数设置、网兰州大学研究生学位论文络组态、通信连接、创建符号、编程、组态消息和操作员监控变量、启动和运行维护、监视、诊断、文档创建和归档等。ＳＴＥＰ７标准软件包的功能和组成如图５．２所示。图５．２ＳＴＥＰ７标准软件包的组成（１）ＳＩＭＡＴＩＣ管理顺可浏览ＳＩＭＡＴＩＣＳ７、Ｍ７、Ｃ７的所有工具和数据。（２）符号编辑器管理所有的全局变量，用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。（３）通信组态包括组态的连接和显示、定义ＭＰＩ或ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ设备之间由时间或事件驱动的数据传输、定义事件驱动的数据、用编程语言对所选通信块进行参数设置。（４）硬件组态用于对硬件设备进行配置和参数设置。包括系统组态（选择机架、给各个槽位分配模块、自动生成Ｉ／Ｏ地址）、ＣＰＵ参数设置（如启动特性、扫描监视时间）和模块参数设置（用于定义硬件模块的可调整参数）。（５）编程语言可以是梯形图语言（Ｕ山）、功能块图语言（ＦＢＤ）和语句表语言（ＳＴＬ）。（６）硬件诊断工具为用户提供自动化系统的状态，可快速浏览ＣＰＵ的数据以及用户程序运行中的故障原因，也可用图形方式显示硬件配置。５．１．３网络组态组态（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）就是使用软件工具对网络硬件及软件的各种资源进行配置，达到使硬件或软件按照预先配置，自动执行任务，满足使用者要求的目的。５．１．３．１主站的创建网络配置的第一步，首先是创建ＰＲＯＦＩＢＵＳ。ＤＰ主站，主站创建需要建立项目、确定ＣＰＵ型号、配置机架、电源模块、Ｉ／ｏ模块等基本操作，相关文章已兰州＾学研究生学位论文有详细介绍。主站配置完后，要设定网络传输速率与协议，本实验设定图５，３ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线示意图ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络的传输速率（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＲａｔｅ）为１５Ｍｂｉｔ／ｓ、传输协议（Ｐｒｏｆｉｌｅ）为ＤＰ，最高ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ地址设定为１２６。在ＰＲＯＨＢＵＳ网络基本参数设定后，要创建ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ总线，通过ＣＰＵ．ＤＰ“属性”设定对话框，设定主站的地址为“３１”，操作方式为“主站”。醴定完成后，在硬件配置页而将出现一条与ＤＰ接几连接的“ＰＲＯＦ］ＢＵＳ（１）：ＤＰｍａｓｔｅｒｓｙｓｔｅｍ（１）”总线标图，见图５．３。５１３．２ＰＲＯＦＩＢＵＳ从站的配置在ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线配置完成后，可以进行从站配置。对于Ｉ／Ｏ从站，点ＤＰ伸出来的总线以选中，总线变成完全的黑线，在硬件列表里选中所要加入的从站设备（如没有所要的设备，可能要先导入设备的ＧＳＤ文件，以让系统可以正确的识别你想加入的新设备）。可扩展的Ｉ／Ｏ从站在安装机架上可以像配置ＰＬＣ硬件一样，在指定的插槽上进行各种模块的安装。双击模块，在弹出的参数对话框中，设定从站的地址、诊断地址和输入输出模块地址等。对于ＰＬＣ从站，应先按照ＰＬＣ配置方式，进行ＰＬＣ从站的创建，然后连接到主站创建的总线，设定ｐＬＣ！州大学研究生学位论文幽５．４ＰＲＯＦＩＢＵＳ从蚺配置从站乖身的地址，设定操作方式为“从站”，通过点击总线，插入ＰＬＣ从站，结果如同５４所示。５Ｉ．３．３总线参数设置通过ＢｕｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓ对话框『ｌｒ以设置总线参数，如图５．５所示罔５．５总线参数设置对话框兰州大学研究生学位论文本实验设置总线参数如下：１‰＝３００ＴｂｎＭａｘＴｓＤＲ＝１５０ＴｂｌｔＭｉｎＴｓＤＲ＝ＩＩＴｂｉＩＬＩ＝１ＴｂｌｔＴａｍ＝０ＴｂｉｔＧａｐ＝１０Ｒｅｌｒｙ＝１Ｔ＇Ｉ＇Ｒ根据实验需要设置５．１４网络通信编程网络通信的编程需要通过在ＰＬＣ用户程序中调用ＳＴＥＰ７的各种通信逻辑块实现。在项目管理器的Ｂｌｏｃｋｓ文件夹内，坝击程序快（如ＯＢ、ＦＢ、ＦＣ）图标，即可打开程序编辑器窗口，如图５．６所示。在程序编辑窗口内可选择使用梯形图（ＬＡＤ）、语句表（ＳＴＬ）或功能图（ＦＢＤ）等编程语言完成程序块编写，并且可以相互转换ｏ爨垒罡ｊ篙，告警兰一鏊豪，““”一譬善；互ｙＤ１一帅＿·７州Ｄ·ｂ”…·…１。ｎ‘ｎｎｄ。～１Ｐｂ嚣Ｊ１一日ｘ嚣：：Ｌ葫∑——一ｉ：：：．＝竺＋｛ｎ”，·ｃｔ·ｒＤ１一－ｊｔｈ‘匮夏至至至耍。嬲，篷翌ｈｔ一…Ｔ１ｔ１，【。。ｎ。日。■年１ｉ旨■…｝…５日∞ｔ！——Ｌ｝ＰＱＷ∞４鞘《∞０燃－ｍ“剥引５．６科序编程窗口兰州大学研究生学位论文５．１．４．１ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ通信的分类ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ通信包括了主站与从站之间的直接数据交换、数据区传输、分布式Ｉ／Ｏ控制以及ＤＰＶｌ扩展通信四方面的内容。（１）直接数据交换主站与从站之间的直接数据交换指的是网络站点之间的Ｉ／Ｏ互访，即：连接于ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络的各站点之间，可以在ＰＬＣ用户程序中像本地Ｉ／ｏ信号一样，直接进行指定通信对象Ｉ／Ｏ信号逻辑操作与编程，从而扩大了ＰＬＣ的控制范围。直接数据交换方式对于开关量Ｉ／０的控制无疑十分方便，利用ＳＴＥＰ７的逻辑运算指令与装载指令就能进行开关量（二进制）、字节、字、双字信号的读写。但现场设备需要进行大量数据（数据区传输）的接收与发送，则需要利用Ｓ７通信逻辑块实现。（２）数据区传输在ＳＴＥＰ７中，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ数据区的传输需要通过ＳＴＥＰ７的特殊功能程序快（ＦＣ）进行。数据区传输特殊功能程序块包括ＦＣＩ，－一ＦＣ４共４个，其中，ＦＣＩ（ＤＰ＿ＳＥＮＤ）、ＦＣ２（ＤＰ＿ＲＥＣＶ）用于数据的发送与接收，ＦＣ３（ＤＰ＿ＤＩＡＧ）用于网络诊断，ＦＣ４（ＤＰＣｒＲＬ）用于网络控制。（３）分布式Ｉ／Ｏ从站控制分布式Ｉ／Ｏ从站控制功能可用于ＥＴ２００系列分布式Ｉ／Ｏ从站控制，包括从站的输出同步控制（ＳＹＮＣ）、从站的输入锁定（Ｈ也ＥＺＥ）、从站的激活与取消、从站诊断、从站中断、从站数据的读写等。在ＳＴＥＰ７中，分布式Ｉ／Ｏ从站控制需要通过ＳＴＥＰ７的系统程序块（ＳＦＣ）进行。系统程序块包括ＳＦＣ７（ＤＰ』ＲＡＬ）从站中断控制、ＳＦＣｌｌ（ＤＰＳＹＣ＿ＦＲ）从站输出同步控制、ＳＦＣｌ２（Ｄ＿ＡＣＴ＿ＤＰ）激活与取消从站、ＳＦＣｌ３（ＤＰＮＲＭ＿ＤＧ）从站诊断、ＳＦＣｌ４（ＤＰＲＤ＿ＤＡＴ）从站数据读入、ＳＦＣｌ５（ＤＰＷＲ＿ＤＡＴ）从站数据写出共６个系统程序块。（４）ＤＰＶｌ扩展通信ＤＰＶｌ扩展通信功能包括从站记录数据的读入、从站记录数据的读出、从站中断的接收、从站中断控制等方面内容。在ＳＴＥＴ７中，ＤＰＶｌ扩展通信需要通过ＳＴＥＰ７的系统功能块（ＳＦＢ）进行。系统功能块包括记录数据的读入ＳＦＢ５２（ＲＤＲＥＣ）、记录数据的写出ＳＦＢ５３（ＷＲＲＥＣ）、从站中断的接收兰州大学研究生学位论文ＳＦＢ５４（ＲＡＬＲＭ）、从站中断控制ＳＦＢ７５（ＳＡＬＭ）共４个系统功能块。５．１．４．２ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ主站的编程在ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ主站上，数据传输分为两步进行。一是通过ＰＬＣ的用户程序循环，将用户程序中所生成的ＤＰ输出数据从ＣＰＵ的ＤＰ数据区写入到通信处理器的数据缓冲存储器中；二是通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的轮询循环，将通信处理器的数据缓冲存储器中数据发送到ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ总线上。（１）读入ＤＰ输入信号为了像ＰＬＣ普通输入那样可以在用户程序中使用ＤＰ输入信号，一般而言，在用户程序的起始位置，首先应调用“ＤＰＲＥＣＶ’’功能程序块，将由ＰＲＯＦＩＢＵＳ“轮询循环’’输入的ＤＰ信号，从通信处理器的输入缓冲存储器的状态读入到ＰＬＣ．ＣＰＵ的ＤＰ数据区，以便在程序中使用ＤＰ输入。从某种意义上说，这一步骤相当于对ＤＰ网络链接信号的“输入采样”过程。本实验主站需要使用系统程序块ＳＦＣｌ４（ＤＰＲＤ＿ＤＡＴ）来读入Ｉ／Ｏ从站数据，其梯形图编程格式如图５．７所示。图５．７ＳＦＣｌ４的编程格式ＬＡＤＤＲ表示读取的ＤＰ设备所映射的ＩＡｄｄｒｅｓｓ的起始地址，必须用十六进制表示。ＲＥＴ—ＶＡＬ表示此操作的返回值。ＲＥＣＯＲＤ表示读回来的数存放的位置。（２）读入ＤＰ诊断信息同样，为了在用户程序中能够利用ＤＰ的工作状态信息，对ＰＬＣ程序中的其他部分进行控制与“互锁＂，应在读入ＤＰ输入信号后，紧接着通过调用“ＤＰ＿ＤＩＡＧ＂功能程序块，读入ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ网络的诊断信息。（３）ＤＰ网络控制在ＤＰ输入与诊断信息读入到用户程序后，程序中便可以根据需要使用这些信号。如果需要，可以在用户程序中利用ＤＰ控制功能程序块“ＤＰ＿ＣＴＲＬ＂，以执行“控制任务＂的方式对ＰＲＯＦＩＢＵＳ网络进行必要的控制。（４）ＤＰ数据的输出兰州大学研究生学位论文在ＰＬＣ程序全部编制完成后，为了像普通ＰＬＣ输出那样将ＤＰ数据输出到指定的从站上，用户可以通过调用“ＤＰＳＥＮＤ＂功能程序块，将ＤＰ输出信号从ＰＬＣ．ＣＰＵ的ＤＰ数据区写出到通信处理器输出缓冲存储器上，以便通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ的“轮询循环’’，将数据发送到ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ从站上，这一步骤相当于对ＤＰ网络链接信号的“输出刷新＂过程。实验中主站需要使用系统程序块ＳＦＣｌ５（ＤＰＷＤＯＡＴ）来写入Ｉ／Ｏ从站数据，其梯形图编程格式如图５．８所示。图５．８ＳＦＣｌ５的编程格式ＬＡＤＤＲ表示要访问的设备的ＤＰ起始地址，必须用十六进制表示。ＲＥＣＯＲＤ表示需要传送的数据存放的位置。ＲＥＴＶＡＬ表示此项操作的返回代码。５．１．４．３从站模式的数据传输在ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的从站ＰＬＣ上，数据传输分为两步进行：一是通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ的轮询循环，将来自ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ总线的输入信号读入到通信处理器的数据缓冲存储器中；二是通过ＰＬＣ的用户程序循环，将通信处理器的数据缓冲存储器中的数据读入到ＰＬＣ．ＣＰＵ的ＤＰ数据区中。从站中不能使用ＤＰ网络诊断与控制功能，因此从站ＰＬＣ不可以使用功能程序块“ＤＰ—ＤＩＡＧ＂与“ＤＰＣＴＲＬ＂。如果从站的数据输入输出超过４个字节，也需要使用系统功能块ＳＦＣｌ４、ＳＦＣｌ５来进行编程，在从站中一次传送的最大输入输出不能超过２４４字节。５．２网络诊断工具本文基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线监视器获取实时数据，实验中使用ＰｒｏｆｉＴｒａｃｅ监测仪。ＰｒｏｆｉＴｒａｃｅ是解决ＰＲＯＦｍｕＳ工业现场棘手问题的最好助手。它可以方便接入ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线，检测总线运行过程中的报文，识别主站、从站身份及各自运行的状态，捕捉各个站的运行波形，并配合示波器、万用表等设备，可以快捷地判断现场接地、电磁干扰、设备故障、电缆破损等疑难问题，减少停工期，是现场５５兰Ｍ大学研究生学位论立工程师的可信赖伙伴。ＰｒｏｆｉＴｒａｃｅ是用于ＰＲＯＦＩＢＵＳ高速现场总线的分析工具包，应用最先进的算法和协议与电气测量之间实现智能连接，使其成为当今最尖端的总线监测技术。Ｐｍ矗Ｔｒａｃｃ产品是专门为ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线工程的旄工、维护而开发的工具，节省施工、维护时间，提高安装实效性。ＰｒｏｆｉＴｒａｃ）ｅ可以在ＰＣ、ＰＧ或笔记奉电脑的ＵＳＢ端口和ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线之问接入通信管理机（ＰｒｏｆｉＣｏｒｅ），ＰｒｏｆｉＴｒａｃｅ运行在ＰＣＬ｜＝Ｊ。ＰｒｏｆｉＴｒａｃｅ不仅可以川于ＤＰ总线的测试，还可以用于ＰＡ总线的测试，这时需要在ＰｒｏｆｉＣｏｒｅ的ＰＲＯＦＩＢＵＳ接口上再加装一个ＰＡ扩展头。ＰｔｏｆｉＣｏｔｅ的特性端ｕ【叮以提供一个触发信号给示波器，可以通过对ＰｒｏｆｉＴｒａｃｅ的操作实现对每一台设备的电信号的测艟。它的晟高采样速率为１２Ｍ，同样也可以适应各种通信速率。５…ｏ…一ｏ…■ｒ—————————１一一…。Ｆ？－－…“一……匝ｊ釜ｉ吲一一－～－厅者意墨等锻每悉鍪搴三晋－…ｃ－●一Ｌ…，＾’＿－…‘ｐｆ＿。！竺—＿＿——一．……一Ｉ…一山“№州№ｎ—岁数据堂换帧ｌ世！塑；≮嚣ｌＬ—————、≥｝ｏ：：：：臻譬三三≥要丽订”：：譬‘—专蠹菩；＝＝型呼肼１“薹蠹ｉ薰萝ｉ誉｜ｉ三．ｉ妻掣三巫至圃墓誊ｉ譬；｜｜｜…詈曩薹ｉ…’图５．９Ｐｔｏｆｉ＇Ｔｔａｃｅ监测仪进行阿络数据监测对ＰＣ机来说，此总线可被看成是一个ＦＯ外设。在相应的监听软件支持下，它仅侦听捕捉ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线上发生的所有事件和记录所传输的所有数据帧，但不参与总线上的活动，其本身也无分配的ＰＲＯＦＩＢＵＳ地址。它可按照要求实时记录ＰＲＯＦｍＵＳ总线上的每一个数据帧，也可在自身上利用软件设兰州大学研究生学位论文置不同的过滤器仅记录某些数据帧，对分析总线上的数据流、与某个从站间的通信是否正常以及计算系统的实时性能十分有用，如图５．９所示。５．３实验结果分析本实验主要通过主站３１和从属于它的２４个从站之间数据通信来研究系统时间特性。设在ＴＴｇ＞＞ＴＲＲ的且ＴＴＲ不改变，在１０９６个连续的总线循环中，传递的报文被ＰｒｏｆｉＴｒａｃｅ的时间戳一一记录下来，然后用ＭＡＴＢＡＬ编程软件对所记录下来的数据进行分析计算，并画出统计结果图，以便分析。５．３．１令牌循环时间ＴＴＣ分析由上一章我们知道，令牌循环时间ＴＴｃ—ｋ＋‰＋ｋ。传输延迟时间Ｔｍ取决于总线长度（不带中继器时，约５毫微秒／米），事实上它总是小于其他时间，在这里我们取Ｏ。空闲时间ＴＤｌ取３７Ｔｂｉｔ，令牌帧传输时间ＴＴＦ是３３Ｔｂｉｔ。这样，令牌传递时间ＴＴＣ理论计算值为７０Ｔｂｉｔ。实验结果如图５．１０所示：８０）ｃ乇Ｘ《‘ＸＨ～ＨＸＸ）（）ｃ《乇）（）（，）ｃ＇ｃ，）（Ｘ，）（）（）（ｘｆ××乇ＸＸＸＸ）（）（Ｘ）（７０６０５０善４０３０２０＇ｏＩ，Ｉ－Ｉ一．＝Ｌ，Ｈ‘ｖｏ主站｛ｍ》主站：３１Ｉｏ图５．１０令牌循环时间从实验可以看出，主站５．＞主站１０的令牌传递时间为７６Ｔｂｉｔ、７７Ｔｂｉｔ、７８Ｔｂｉｔ；主站１０．＞主站３１的令牌传递时间为７１‰、７２Ｔｂｉｔ、７３‰、７４Ｔｂｉ．主站３１－＞主站５的令牌传递时间为７６Ｔｂｉｌ、７７‰、７８Ｔｂｉｔ。理论计算值与实验得出的结果有差别，误差在１５％以内。相同两个主站间令牌传递时间不同，说明主站产生的空闲时间ＴⅢ１并不是不变的，而是有一定的变化范围，如主站１０．＞３１主站１０之间的空闲时间ＴⅢ１在３７Ｔｂｉｔ＂４１Ｔｂｉｔ之间变化。不同两个主站间令牌传递时间也兰州大学研究生学位论文不一样，而且在不同的范围内变化，说明除了空闲时间ＴＤｌ的值不是固定外，传输延迟时间ＴａＤ因主站间的距离不同而对令牌传递时间产生不同的影响。５．３．２报文循环时间ＴＭｃ分析报文循环有两种情况：一是有发送和回答帧组成的报文循环，二是只有发送没有回答，只用短帧应答的报文循环。传输延迟时间ＴａＤ取０，空闲时间ＴＤｌ取３７Ｔｂｉｔ，站延时时间ＴＳＤＲ取１１Ｔｂ“。这样带有回答帧的报文循环时间ＴＭＣ可简化为２４６＋１１Ｘ（输入输出字符总数）；带有短确认帧的报文循环时间ＴＭｃ可简化为１５８＋（输出字符数）。实验中取主站３１．＞从站２７和主站３１．＞从站１１的报文循环时间画成图５．１１，取主站３１在一个令牌循环时间内与从属于它的所有从站的报文循环时间统计在表５．１。图５．１１报文循环时间表５－１主站３１报文循环时间理论值和实验数据对比从站２５４１３１１１５２３１２２交换数据字符数３２实验值ｍｉｌ）６０８１８７６０６３４２３４１３４２４３０５１９理论值ｆＩｋ）５９８１８０５９８３３４３３４３３４４２２５１０误差ｍｉＩ）１０７８８７８８９２（只发送）３２８８８１６２４兰州大学研究生学位论文６１６７２８４２２７２１４１１２８３８６３８７１８５１８７５１８６０８３４２３４３３４１３５１２９６３７８３３４１８０１８０５１０５９８３３４３３４３３４３４５２６８８５３５７８１０８９７６３１２（只发送）２（只发送）２４３２８８８９１１４３３４４从图５．１１和表５．１知道，主站和某特定从站的报文循环时间在各个令牌循环周期内基本相等，与理论计算值相差１０Ｔｂｉ。左右，误差在２％以内，实验数据基本符合理式。误差主要是由站延时时间和空闲时间变化，以及传输延迟时间引起的。５．３．３状态查询时间Ｔｃｈ。ｃｋ分析状态查询时间Ｔｃｈｅｃｋ有两种情况：一是主站查询时得到从站应答；二是指主站查询时没有得到应答。我ｆＩＪＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ的总线数据传输速率设为１．５Ｍｂｐｓ，ＴＳＬ］驭３００Ｔｂｉｔ。１ｋ血ｍ。等于６６Ｔｂｉｔ，１＇ｒ璐＿血ｍ。等于６６Ｔｂｎ，传输延迟时间１ｂ取０，空闲时间ＴＩＤｌ取３７到从站应答的状态查询时间‰为１８０ＦＤＬ查询５．＞６Ｔｂｉｔ，站延时时间ＴＳＤＲ取１１‰。由公式（４．３）得，主站查询时得ＴｂｉＩ，主站查询时得不到从站应答的状态查询时间Ｔｃｈｅｃｋ为３６６Ｔｂｉｔ。实验中得到的Ｔｃｈｅｃｋ如表５．２所示：表５．２ＦＤＬ状态查询时间实验数据与理论值比较实验数据（Ｔｂｎ）１８１３７５１８８３７２理论值（Ｔｂｎ）１８０３６６误差（Ｔｂｎ）１９５．＞８１ｍ＞２３１ｍ＞２５３１．＞３２３１－＞４９１８０３６６１８０８６８１８８３８７３６６２１从实验结果看，主站查询时得到从站应答的状态查询时间Ｔｃｈ酞在１８１Ｔｂｉｔ＇－＂兰州大学研究生学位论文１８８Ｔｂｎ内变化，误差在５％以内，误差的原因是站延时时间和空闲时间并不是个定值，以及信号的传输延迟带来的影响。主站查询时得不到从站应答的状态查询时间Ｔｃｈ诎在３７２Ｔｂｉｔ＂＇３８７Ｔｂｎ内变化，误差在１０％以内，误差的原因是时隙时间ＴＳＬ并不是定值，它在３０６％ｉｔ＂３２１Ｔｂｉｔ内变化，而我们计算时ＴＳＬ设定为３００Ｔｂｉｔ。从理论和实验都可以得出主站查询ＦＤＬ状态得不到应答所花费时间是得到应答时的两倍左右，所以站地址安排越紧凑，系统ＦＤＬ状态查询时间越少。５．３．４总线循环时间ＴＢｃ分析总线循环时间由各站点报文处理时间Ｔ眦、令牌传递时间ＴＴＣ、ＦＤ呶态查询时间Ｔｃｈｅｃｋ和一些附加帧时间ＴＡＤＤ组成。假设总线系统是正确配置的，少数全局控制帧可以忽略不计，我们取附加帧时间ＴＡＤＤ为０，这样总线循环时间就等于前三项之和。通过前面对各项时间参数的分析和实验数据预先设定，我们可以计算出∑乙。ｆｆｉ８５９５Ｔｂｕ，∑％－４２０Ｆｂ豇，∑毛础＝．９００ｒ６豇，实验总线循环时间ＴＢｃ理论值为９９１５Ｔｂｉｔ。在实验中，我们设定令牌目标时间ＴａＲ为２５０００Ｔｂｉｔ，让各站点有充足的时间处理完所有任务。实验所得总线循环时间如图５．１２所示：图５．１２总线循环时Ｉ司从上图看出，各周期总线循环时间围绕１００００上下波动，最大时间是１１３５５Ｔｂｉｔ，最小时间是９６３３Ｔｂｉｔ，误差在１５％以内。统计中数据交换时间占９０％，令牌循环时间占４％，ＦＤＬ状态查询时间占６％。个别周期总线循环时间特别大，是因为主站对从站诊断（Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ）产生的，如在第３０循环周期，诊断帧所占时间是２０５９Ｔｂｎ。在网络负载（数据交换量）较重时，总线系统能发挥近乎１００％的效率，而在网络负载较低时，因为发送数据的站要等待令牌的到来，产生了附兰州大学研究生学位论文加的时延，效率反而不高。造成总线循环时间变化的原因很多，主要有以下几个方面：因站延时时间ＴＳＤＲ、空闲时间Ｔ击１、时隙时间ＴＳ腿和传输延迟时间ＴａＤ在一定范围内随机变化的量，造成ＴＭｃ、‰、也在一定范围内随机变化，进而影响总线循环时间，它也是个随机变量；主站在进行ＦＤＬ状态查询时有没有得到应答，Ｔｃｈｅｃｌ【的值在这两种情况下也不同，相差１８８Ｔｂｉｔ；全局控制帧（ＧｌｏｂａｌＣｏｎｔｒ０１）也会周期性地增加总线循环时间；处理非周期性信息任务以及处理各从站的诊断信息也会占用总线循环时间，它们的出现带有随机性；站点的数量越多，站地址安排越松散，会增加令牌传递时间和ＦＤＬ状态查询时间；信息传输错误要求重新发送，增加了总线循环时间；总线循环时间还受到ｍｉｎＳｌａｖｅＩｎｔｅｒｖａｌ的制约，ｍｉｎ—Ｓｌａｖｅ—Ｉｎｔｅｒｖａｌ是指某一从站前后两次被，ｒａｉｎ—Ｓｌａｖｅ—Ｉｎｔｅｒｖａｌ主站轮询的最小间隔时间，当总线传输速率较高，总线循环周期较短时，要考虑ｍｉｎ—Ｓｌａｖｅ—Ｉｎｔｅｒｖａｌ的影响，目前的从站已采用专用的ＡＳＩＣ芯片处理通信状态机的管理，ｍｉｎ—Ｓｌａｖｅ—Ｉｎｔｅｒｖａｌ已可以降到ｌＯＯｇｓ左右，它已不再是系统实时性能的主要瓶颈；信号经过ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络元件再生或转换后，会有一些时间延迟；２类主站通过ＯＰＣ服务器做诊断时，会周期性地增加总线循环时间，ｏｐｃｔａｇｓ的数量越大影响越大，图５．１２所示第３０周时，总线循环时间突然增加就是由于２类主站做诊断引起的；另外令牌目标循环时间ＴＩＲ的设定，也会对总线循环时间产生影响（将在下一节专门分析）。５．４目标令牌循环时间ＴＴＲ对ＤＰ系统中各时间行为的影响一个现场总线控制系统的性能很大程度的依赖于系统参数的设置，其中ｈ是最重要的一个参数。根据ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ的ＭＡＣ层协议分析我们知道，主站持有令牌时间Ｔ唧与令牌目标循环时间Ｔａｘ有关。ＴｒＲ在逻辑环初始化建立时被指定给每一个主站。Ｔａｘ定义为令牌的实际轮转时间，ＴＴｒｌ＝Ｔａｘ．‰。本实验的背景和上一节分析总线时间特性一样，总线数据传输速率为１．５Ｍｂｐｓ。从上节分析知道，在各主站有足够的时间处理所有任务时，令牌实际循环时间ｍ大约在１００００‰左右。实验过程中考虑了两个情况：一个是Ｔａｘ＞＞Ｔａａ的情况，另一个是Ｔａｘ＜＜ＴＲＲ的情况。５．４．１‰＞＞ｋ时ＤＰ网络中的各时间行为６１兰州大学研究生学位论文设ＴａＲ－－２０ＫＴｂｉｔ，这时ｈ大于令牌实际循环时间‰。实验结果中令牌实际循环时间风和主站３１令牌持有时间Ｔ＇ｍ如图５．１３所示，主站和从站１３的数据交换情况如图５．１４所示。图５．１３Ｔ，ｍ＝２００００Ｔｂｉｔ时主站３１的‰和‰的值图５．１４Ｔ，ｍ＝２００００Ｔｂｉｔ时主站和从站１３数据交换情况从实验过程看出：当ＴＴＲ＞＞ＴＰｊｔ时，网络系统运行平稳。在每次总线循环中，令牌实际循环时间砥和主站令牌持有时间Ｔｍ在１００００Ｔｂｉ。左右，每个主站都可以处理完所有高优先级和低优先级的报文，这时也能进行正常的ＦＤＬ查询，并周期性的发送全局控制报文，‘符合ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ协议标准。设置‰值等于７０１１６Ｋｂｐｓ和１２３７４１Ｋｂｐｓ，此时主站的砥和Ｔｒｒｒ的情况显示在图５．１５和图５．１６。在每次令牌持有时都会完成所有从站的轮询和正常的ＦＤＬ查询。ＴａＲ为２００００Ｔｂｉｔ时砥的平均值为１０３３９Ｔｂｉｌ、ｈ为７０１１６Ｔｂｉｔ时ｍ的平均值为１０３３１Ｔｂｉｔ、Ｔ珉为１２３７４１Ｔｂｉｔ时吣的平均值为１０３３５Ｔｂｎ。说明当Ｔ－ｍ＞＞Ｔｖ，Ｒ时，继续增大Ｔ瓜对整个系统影响不大。兰州大学研究生学位论文图５．１５ＴＴａ＝７０１１６‰时主站３１的吣和Ｔｔｒｒ的值■一图５．１６ＴＴａ＝１２３７４１Ｔｂｉｔ时主站３１的‰和Ｔ盯的值５．４．２‰＜＜‰时ＤＰ网络中的各时间行为设ＴＴａ＝５０００Ｔｂｉｔ，网络系统实验测试的数据结果如图５．１７和５．１８所示。主站在每次得到令牌时，它的令牌持有时间Ｔｒｒｒ都是负值，主站会周期性的报告总线故障，并且将从令牌环中掉出。当它再次进入逻辑令牌环时，它首先将不会与从站进行数据交换。而是首先查询自己的ＦＤＬ（现场数据链路）状态，包括一些诊断和设置参数及检查它的从站配置，ＦＤＬ状态自检时间对于每一次总线循环都是不同的，而不去理会Ｔｍ，的值是否为负值，偶尔有少量的数据交换。根据ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ协议知道：当某主站接到令牌后，首先处理高优先级队列，即使令牌迟到，也会保证至少处理一个高级任务，之后令牌送下一站。当Ｔ－ｍ＜＜Ｔｉｕｔ时，各个主站的平均持有令牌的时间减小，不能保证在系统中的每个站点上处理兰州大学研究生学位论文完从站的所有任务，低优先级任务被逐渐排挤掉。从实验的结果看，在ＴｘＲ＜＜Ｔ腿的情况下，Ｓｉｅｍｅｎｓ公司的第一类主站不符合ＰＲＯＦＩＢＵＳ协议标准。图５．１７Ｔａ限＝５０００Ｔｂｉｔ时参与逻辑环上令牌传递的站点数量罔刨－５咖Ｏ５１０１５２０２５３０３５４０４５∞图５．１８Ｔ１Ｒ＝５０００Ｔｂｎ时主站３１的‰和Ｔ盯的值５．５小结本章介绍了ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络创建中的系统结构、编程软件ＳＴＥＰ７、硬件组态、通信编程和ＰｒｏｆｉＴｒａｃｅ监测仪。对令牌传递时间、ＦＤＬ状态查询时间、报文循环时间、系统循环时间和目标循环时间Ｔｍ对ＤＰ系统运行情况影响进行了实验测试验证。在ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ网络系统周期循环中，有多种信息在总线上传输，对这些信息分析计算的目的是为求出总线循环时间。根据总线循环时间，我们可以合理地设置令牌目标循环时间ｈ，并初步判断总线系统能否符合实时性能要求。从实验结果，我们知道令牌循环时间、报文循环时间、ＦＤＬ状态查询时间、总线循环时间都和理论计算值存在误差，不是定值，而是在一定范围内随机变化。但只要我们充分考虑各种因素，这种误差对我们设置令牌目标循环时间ＴａＲ影响不是很大，因为设置令牌目标循环时间ｈ的值要比令牌实际循环时间砥大得多。控制系统对网络的实时性能要求越来越高，对工程实时任务的信息处理都有一个兰州大学研究生学位论文截止期Ｄｉ的要求，总线循环时间必须小于这个截止期。一般来说，对现场事件的发生有１０ｍｓ左右的事件实时响应能力就可以满足绝大多数工业现场控制的要求。为了减少总线循环时间，可以采取以下几个措施：提高总线传输速率高，减小数据传输距离；适当减少主站点的数量，合理划分子站；减轻系统的负载，减少信息输送字节数；站地址安排要紧凑，减少ＦＤＬ状态查询时间。在ＴＴａ＜＜Ｔｍｌ和ＴＴａ＞＞ＴＩ腿两种情况下，通过实验分析了Ｔａｘ对ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ网络系统中各时间行为的影响。当Ｔａｘ＜＜ＴＲＲ时，网络系统不能进行正常的数据交换，不能完成所规定的任务，整个ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线系统将会导致瘫痪。在Ｔａｘ＞＞Ｔｅ，ａ情况下，Ｓｉｅｍｅｎｓ公司的第一类主站符合ＰＲＯＦＩＢＵＳ协议标准，系统运行平稳可靠。通过实验结果可得，在工程设计时按照公式（４．１０）计算出的总线循环时间的两倍来设置Ｔａｘ是可行的。兰州大学研究生学位论文６总结和展望６．１论文工作总结现场总线将自动化最低层的现场控制设备、智能仪表与传感器实现实时控制的通信网络，使控制系统向着完全分散化、智能化及网络化的方向发展，使控制技术与计算机网络技术更加紧密地结合在一起。ＰＲＯＦＩＢＵＳ以其优越的性能在工业控制系统中得到了广泛的应用。本文在详细介绍ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ令牌总线协议和通信模式的基础上，结合以西门子公司生产的ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ主站和从站组成ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ总线实验网络，分析了影响系统循环时间的报文循环时间、令牌传递时间、系统状态检查等各时间行为，讨论了目标循环时间对系统运行情况的影响，并提出了改善系统实时性能方法。结论引述如下：从理论上对ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络总线各时间参数行为进行了分析和公式推导，并通过实验验证了公式的可行性；应用随机过程建立了总线循环时间的数学模型，说明了误码率越高、数据交换长度越长对系统循环时间影响越大；从理论和实验两方面分析研究了目标令牌循环时间Ｔｍ设置值对令牌循环时间、ＦＤＬ状态查询时间、数据交换时间等总线时间行为及ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ多主站网络的实时性能的影响，并得出目标令牌轮转时间ｈ设置为系统循环时间理论计算值的两倍较为合理。本文的研究目的在于分析ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ总线网络协议，推导系统循环时间和合理的目标令牌循环时间Ｔｍ设定值，为现场总线控制系统的运用提供一定的理论基础，为今后更加深入的研究现场总线的性能提供参考。６．２未来工作展望现场总线的国际标准还会继续增加，但各种协议不能直接通行；Ｅｔｈｅｎｅｔ技术的快速展，Ｅｔｈｅｎｅｔ介入控制已经成为事实，虽然Ｅｔｈｅｎｅｔ在工业现场的应用需要解决实时性、可互操作性等问题，但Ｅｔｈｅｎｅｔ取代现场总线势所必然。研究的重点将转到现场总线协议转换和工业以太网技术。以下几个方面将是今后需要进一步深入研究的问题：现场总线协议间的转换技术，Ｅｔｈｅｎｅｔ和现场总线的接口技术研究，Ｅｔｈｅｎｅｔ工业技术的研究。兰州大学研究生学位论文参考文献【１】刘曙光．现场总线技术的进展与展望【Ｊ】．自动化与仪表．２０００，１５（３）．１－６【２】唐济扬．现场总线与工厂底层自动化及信息集成技术【Ｊ】．制造业自动化．２０００，２（７）．１４—１８【３】阳宪惠．现场总线技术及应用【Ｍ】．第一版．北京：清华大学出版社，１９９９【４】ＩＥＣ６１１５８Ｐａｒｔ３ａｎｄＰａｒｔ４：Ｄｉｇｉｔａｌｄａｔａｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｔｒｏｌ·Ｆｉｅｌｄｂｕｓｆｏｒｕｓｅｉｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ＷｈｉｔｅＰａｐｅｒ，２００１【５】５刘国海，李康吉，薛文平．现场总线ＰＲＯＦＩＢＵＳ［Ｍ］．电子工业出版社，２００７【６】陈在平．现场总线及工业控制网络技术【Ｍ】．电子工业出版社，２００８【７】阵在平，姚建峰．ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ从节点智能通信接１２设计与实现【Ｊ】．制造业自动化，２００６（５）【８】候维岩，费敏锐．ＰＲＯＦＩＢＵＳ协议分析和系统应用【Ｍ】．北京，清华大学出版社，２００６【９】ＩＥＣ一６１１５８—４，ＤｉｇｉｔａｌＦｉｅｌｄｂｕｓｆｏｒｕｓｅＤａｔａＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓ，Ｐａｒｔ４：ＤａｔａｉｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＵｌｌｋＰｒｏｔｏｃｏｌＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，３ｒｄＥｄｉｔｉｏｎ【１０］ＰＲＯＦＩＢＵＳＡｃｃｏｒｄｉｎｇＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＮｏｒｍａｔｉｖｅＰａｒｔｓｏｆＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＦＭＳ，一ＤＰ，－ＰＡｔｏｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＳｔａｎｄａｒｄＥＮ５０１７０Ｖｏｌｕｍｅ２，１９９８，Ｅｄｉｔｉｏｎｌ．０【１１】龚仲华．Ｓ７—２００／３００／４００ＰＬＣ应用技术［ＭＩ．人民邮电出版社，２００８【１２］ＥＴｏｖａｒ，ＦＶａｓｑｕｅｓ．ＳｅｔｔｉｎｇｔａｒｇｅｔｒｏｔａｔｉｏｎｔｉｍｅｉｎＰＲＯＦＩＢＵＳｂａｓｅｄｒｅａｌ—ｔｉｍｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＦＡＣ１９９８【１３］Ｖｉｔｔｕｒｉ，Ｓ．（２００４）．ＯｎｔｈｅＣｏｍｐｕｔｅｒｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅａｃｙｃｌｉｃｔｒａｆｆｉｃｏｎＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｓｔａｎｄａｒｄｓ＆Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，２６（２００４）１３１·１４４ｃａｓｅ【１４］ＳＣａｖａｌｉｅｒｉ，ＥＴｏｖａｒ，ＦＶａｓｑｕｅｓ．Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇｗｏｒｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｉｎｍｏｎｏａｎｄｍｕｌｔｉ·ｍａｓｔｅｒＰＲＯＨＢＵＳＤＰ，４ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＦａｃｔｏｒｙＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ，Ｖａｓｔｅｒａｓ，Ｓｗｅｄｅｎ，Ａｕｇ２８—３０，２００２【１５］ＥＴｏｖａｒ，ＦＶａｓｑｕｃｓ．ＣｙｃｌｅｔｉｍｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｔｒａｆｆｉｃｏｎＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ６７兰州大学研究生学位论文ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＣｏｍｐｕｔｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２２，（１９９９）１２０６·１２１６ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒｓａｔｉｓｆｙｉｎｇｔｈｅ【１６］Ｌｅｅ，ＩＣＣ，ｅｔａｌ（２００４）．ＴｉｍｅｒｍａｘｉｍｕｍａｌｌｏｗａｂｌｅｄｅｌａｙｕｓｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍｏｄｅｌｏｆＰＲＯＦＩＢＵＳｔｏｋｅｎｐａｓｓｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶ０１．５１，Ｎｏ．３，Ｊｕｎｅ２００４ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａ【１７］Ｋ．Ｔｉｎｄｅｌｌ．ＣａｌｃｕｌａｔｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋＭｅｓｓａｇｅＲｅｓｐｏｎｓｅＴｉｍｅ，ＣｏｎｔｒｏｌＰｒａｃｔｉｃｅ．１９９５，（８）．１１６３—１１６９【１８］Ｋ．ｔｉｎｄｅｌｌａｎｄＡ．Ｂｕｍｓ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＨａｒｄＲｅａｌ－ＴｉｍｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｒｅａｌ—ＴｉｍｅＳｙｓｔｅｍｓ．１９９５．９（２）．１４７－１７３【１９］：Ｅ智，王天然，ＳｏｎｇＹＱ，等．工业实时通讯网络（现场总线）的基础理论研究与现状（上）【Ｊ】．信息与控制，２００２，３１（２）【２０］候维岩，费敏锐，阳宪惠．令牌目的循环时间ｈ对现场总线ＰＲＯＦＩＢＵＳｉ贝！］控周期的影响【Ｊ】．仪器仪表学报，２００５，４，２６（４），３９９—４０２【２１】杨树勋，陶庆荣，魏婉韵．网络控制系统时延的分析及补偿【Ｊ】．微计算机信息，２００８，２４（４—３），２４８－２４９【２２］胡立钟，王庆超．Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＤＰ网络的ＦＤＬ时态分析【Ｊ】．控制与决策，２００５，３，２０（３），３３７—３４０【２３］ＨａｓｓａｎＫａｇｈａｚｃｈｉ，ＨｏｎｇｘｉｎＰＲＯＦＩＢＵＳＬｉ，ＭｉｃｈａｅｌＵｌｒｉｃｈ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＴｏｋｅｎＲｏｔａｔｉｏｎｉｎ２００８ＭｕｌｔｉＭａｓｔｅｒＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＦＣＳ０８【２４］侯维岩，张海峰，费敏锐．现场总统ＰＲＯＦＩＢＵＳ系统的实时性能分析【Ｊ】．电子测量与仪器学报．２００４，６，１８（２）。５６—６０【２５］Ｅｒ区道尹．Ｓ７—３００／４００ＰＬＣ入门和应用分析【Ｍ】．中国电力出版社，２００８【２６］胡健．西门子Ｓ７．３００ＰＬＣ／直用教程【Ｍ】．机械工业出版社，２００８【２７】邹益仁，马增良，蒲维．现场总线控制系统的设计和开发【Ｍ】．国防工业出版社，２００３【２８］文１Ｊ良文，董鸣。ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ现场总线性能分析【Ｊ】．微计算机信息，２００６，２２（９－１），４６·４８【２９］ＲｏｂｅｒｔＰａｒｔｘｋｅ．Ｈｅｌｄｂｕｓｂａｓｉｃｓ【Ｊ】．ＣｏｍｐＵｔｅｒＳｔａｎｄａｒｄ１９：２７５２２９３ＳａｎｄＩｎｔｅｆｆａｃｅｓ，１９９８，【３０］ＴｉｎｄｅｌｌＫＢｕｍｓＡ，ＷｅｌｌｉｎｇｓＡｅＪ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈａｒｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ】．Ｒｅａｌ２ｔｉｍＳｙｓｔｅｍ，１９９５，９（２）：１４７２１７３兰州大学研究生学位论文【３１］ＰＲＯＦＩＢＵＳＥｄｉｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎＮｏｒｍａｔｉｖｅＰａｒｔｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＥＮ５０１７０Ｖｏｌｕｍｅ２，１．０，Ｍａｒｃｈ１９９８，ＰＲＯＦＩＢＵＳＵｓｅｒＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ【３２］Ｃ．Ｍ．Ｋｒｉｓｌｍａ，Ｋ．Ｇ．Ｓｈｉｎ．Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅｓｙｓｔｅｍｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＴｓｉｎｇｈｕａＰｒｅｓｓ，２００１【３３］Ａ．Ｂｕｍｓ．Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ１９９１，１６０）．１１６－１２８【３４］Ｅｄｕａｒｄｏｈａｒｄｒｅａｌ—ｔｉｍｅｓｔｅｍｓ：ａｒｅｖｉｅｗ，ＳｏｆｔｗａｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＴＯＶＡＲ，ＦｒａｎｃｉｓｃｏＶＡＳＱＵＥＳ．“ＧｕａｒａｎｔｅｅｉｎｇＲｅａｌ—ＴｉｍｅＭｅｓｓａｇｅｏｎＤｅａｄｌｉｎｅｓｉｎＰＲＯＨＢＵＳＮｅｔｗｏｒｋｓ”，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ，４６，Ｎｏ．６，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，１９９９【３５】崔坚，李佳．西门子工业网络通信指南【Ｍ】．机械工业出版社，２００６兰州大学研究生学位论文攻读学位期间发表的学术论文［１］郑向荣，李红信．ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ现场总线中时间性能分析．微计算机信息，已录用兰州大学研究生学位论文致谢本文是在李红信副教授的悉心指导下完成的。李红信老师学识渊博，治学严谨，平易近人，认真负责。在论文即将完成之际，向尊敬的导师李红信副教授表示衷心的感谢！在课题的选择、研究、完成过程中，我的老师和同学们始终给予我学习、生活上的无私帮助，他们创造了一个温馨的学习生活环境，使我能快速开心地融入这美好的大家庭，学我未知的知识，提高我的整体素质。在此，我对他们表示深深的谢意！感谢我的父母，感谢我的妻子，感谢他们长期以来对我无微不至的关怀和支持，能让我安心工作和学习。最后，感谢百忙之中为我评审论文的前辈、专家、老师，祝你们身体健康，万事如意！PROFIBUS-DP现场总线的时间特性分析

作者：

学位授予单位：

郑向荣兰州大学

1.学位论文 谢经明 基于现场总线的开放式数控系统研究 2003

该文在分析开放式数控技术的主要特征和发展趋势的基础上,围绕着开放体系结构数控系统研究中的若干关键技术,从体系结构分析、系统硬件结构的开放化设计、系统软件的建模与运行平台的设计、现场总线通信环节的时间特性分析以及建模、开放式数控系统网络接口等方面进行了全面而深入的研究.全文主要研究工作如下:从现场总线的结构、技术特点全面分析了现场总线应用于开放式控制系统的优点,结合开放式数控系统的开放性要求,在综合考虑国际上几种开放式控制器计划的优点的基础上,建立了一种基于现场总线的开放式数控系统的体系结构,该体系结构对开放式体系结构数控系统的硬件和软件的研究和开发具有重要的参考价值.在对现场总线的选择原则进行研究的基础上,通过综合分析得出采用Profibus-DP总线作为基于现场总线开放式数控系统的实时通信网络具有较强的鲁棒性.根据Profibus-DP总线的工作特点,提出了基于Profibus-DP总线的模块化、主从式数控系统的硬件拓扑结构.对Profibus-DP智能从站硬件和软件结构及实现进行了详细的研究,同时提出了一种基于现场总线的多传感器分布式信息融合结构模型,并对基于现场总线网络的分布式信息传感与融合的一些理论进行了探讨.对Windows NT+RTX实时操作系统结构进行分析,在此基础上对开放式数控系统的任务调度机制和通信机制进行了详细的研究.将基于COM组件的程序设计方法引入到开放式数控系统的设计中,制定了基于COM技术的软件模块基本接口协议,降低了各软件模块之间的耦合性,从而实现了开放式数控系统软件模块可互换性.对基于Profibus-DP总线的通信环节时间特性进行了详细的分析,提出了采用连续控制系统模型对离散的现场总线控制系统进行建模与仿真,来模拟实际的现场总线网络的工作过程,记录总线的活动,分析站点及系统的行为,并对现场总线控制网络的实时性能进行评估.提出了一种基于Agent的模块化、可扩展的基于现场总线的开放式数控系统的网络接口实现方法: SNMP-OPC,该方法可实现在不同的现场总线与基于IP网络的标准网络管理工具之间的连接,具有一定的普遍性,可适用于多种现场总线控制系统与基于IP网络之间的互联.最后,对基于Profibus-DP总线的开放式数控系统原型系统软、硬件平台进行了实验研究,并可实现数控系统的本地操作与运行、远程管理与控制,同时对开放式数控系统加工的实时性和误差进行了分析.

2.期刊论文 谢经明.周祖德.陈幼平.陈冰 基于现场总线的数控系统通信环节时间特性分析 -计算机集成制造系统2003,9(4)

分析了传统的封闭数控系统的局限性,并结合现场总线的特点和开放式数控系统的要求,提出了基于现场总线的开放式数控系统的结构.由于通信环节响应时间决定了现场总线控制系统的性能,因此详细分析了基于现场总线的数控系统通信环节的时间特性,并给出了系统响应时间测试方法及实验结果,为基于现场总线的数控系统的研究与开发提供了理论依据和实验数据.

3.期刊论文 苑明哲.吕勇.于海斌 基金会现场总线功能块的有限状态自动机模型 -仪器仪表学报2005,26(1)

功能块是一种面向工业现场的智能化控制模块.首先,针对基金会现场总线功能块建立了描述其内部行为逻辑的有限状态自动机模型;其次,由功能块的自动机模型构成基于功能块的控制应用的自动机模型.同时,建立了反映功能块应用时间特性的功能块调度的时间自动机模型;最后,以一个PID回路的自动机模型模拟了该回路的级连初始化过程.所建的功能块及其应用模型为进一步分析功能块及其应用奠定了基础.

4.学位论文 侯维岩 无线现场总线RFieldbus的实时性能分析和研究 2004

工业数据通信和控制网络是企业计算机网络的基础部分,承担着对底层设备对象的检测和控制,它目前已发展到了现场总线控制系统FCS阶段.而针对生产现场中的大量移动、旋转或临时安装的设备的联网要求,又产生了对现场总线具有无线通信能力的要求,这是目前国际上工控领域的一个新热点方向.RFieldbus是具有无线移动接入功能,能传输TCP/IP帧,且完全兼容PROFIBUS标准的一种全新的高性能无线现场总线系统.RFieldbus的物理层分别使用了IEEE802.11的DSSS方式和RS-485两种定义格式,而MAC层仍统一使用PROFIBUS的Token-Passing协议.这种无线/有线异质复合的结构对具有全局统一令牌的系统的时间性能产生了很大的影响.本论文围绕其实时性能的分析和评价问题,从以下几个方面进行了研究:1,详细分析了因有线、无线网段在传送速率、帧格式上的不同在互连转发设备上引起的拥堵现象,确定了互连转发设备对不同任务的最大迟滞,提出了具体的计算方法.从而分析了RFieldbus中依靠令牌控制、有着总线式广播发送特点的、多域异质复合系统的数据帧传送过程.在此基础上推导了RFieldbus系统的最大周转延迟时间和任务传输时间,并给出了两个重要的参数T<,SL>(定义见P48)和T<,TO>(定义见P50)的确定方法,对研究其实时性能有重要作用.此工作对RFieldbus的系统规划有重要的工程使用价值,且这种对时间特性的分析方法还可以应用到其它的不同质物理层集成的系统分析中.2,在剖析了PROFIBUS的Token-Passing协议后,分析了

T<,TR>(令牌目的循环时间)对不同优先级任务的服务时间动态,提出了一个适于RFieldbus的基于Polling的多台单队列排队模型RF-P.然后利用随机服务过程的准守恒PCL定律,针对RFieldbus系统的具有动态等待响应时间特性,在将对任务的服务时间转换为数量后,首次给出了任务响应时间与各参数的数学解析表达公式.实验表明,经过优化后的表达式误差,在系统负载不大于40﹪时仅为10-20﹪.本论文还给出了稳定边界的条件,提供了研究RFieldbus系统的稳定条件的途径.3,利用第二部分推导得出的反映实时性能的数学解析式,用非线性优化理论的方法研究了T<,TR>参数、主站的负载分布与响应时间性能的关系.并且讨论了RFieldbus中特有的须伴随着DP数据同时传输的TCP/IP数据的流量参数指标和实时响应性能的矛盾关系,且针对单个主站、全系统等不同的需求进行了综合性能优化.并分析指出,令牌类网络的响应时间存在上限的结论在RFieldbus的Token-Passing中成立的前提条件是T<,TR>须保持在稳定边界内,而且当各个主站的负载平均时,系统才有可能取得最快的实时性能.这些结论有助于系统初始化、网络拓扑结构规划设计.

5.期刊论文 潘峰.张凤登.应启戛 FF总线实时通信机制研究 -上海理工大学学报2001,23(4)

讨论了基金会现场总线(Foundation Fieldbus,简称FF)数据链路层的工作机制及其实时令牌循环时间特性,计算出了两个连续CD令牌的最小时间间隔,并通过美国Rosemount公司的Deltav系统对结果进行了验证.

6.学位论文 朱琴跃 列车通信网络实时性理论与方法研究 2008

随着计算机通信和网络控制技术、智能微机控制技术、嵌入式电子控制技术、现场总线技术以及故障诊断技术的快速发展，现代列车控制系统已从集中型的直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式车载微机控制系统。列车网络控制系统应用多种总线技术，将分布在全列车上的计算机应用系统或完成特定功能的智能设备互连起来，是一种典型的实时分布式控制系统。列车通信网络TCN(Train Communication Network)就是运用于其中进行信息交换的数据通信平台，列车通信网络标准IEC61375-1则是IEC为车载数据通信而制定的一项国际标准，旨在为各种列车控制应用建立一个标准的信息通信平台。TCN标准将列车通信网络定义成两级分层结构，各个车辆间的数据通信网络称为绞线式列车总线WTB，同一车辆内部或固定编组的不同车辆间各种设备之间的数据通信网络称为多功能车辆总线MVB。通过TCN技术将复杂的列车控制功能下放到不同的层次，简化了列车网络控制系统的结构，实现了真正意义上的分布式列车控制。

与一般的信息通信网络相比，列车通信网络本质上属于工业控制局域网的范畴，也可以看作是应用于列车控制这个特定场合的现场总线。作为一种典型的实时分布式控制网络技术，列车通信网络的实时性非常重要，它直接影响着整个列车控制系统的性能，因此和列车通信网络实时性相关的许多关键技术问题都值得深入研究，以便形成有关列车网络实时通信调度机制、实时性能评价等方面的理论建模和分析方法，为实际应用及优化网络性能提供理论指导。

为此，本论文首先对列车通信网络的发展历程及列车网络技术的国内外研究现状进行了阐述，指出我国在列车通信网络实时性理论研究方面存在的不足；然后在分析并总结一般现场总线实时调度理论和方法的基础上，以MVB和WTB总线为研究对象，对列车通信网络有关实时性问题的理论和方法进行了深入研究，研究结果和内容主要概括为以下几个方面：

在列车通信网络中，实时调度过程是总线协议中最为重要的内容之一。对于列车网络总线周期信息的实时调度而言，如何对其通信过程进行系统的理论建模以及如何构建实时调度表是研究列车通信网络实时性技术的首要关键问题。从分析MVB和WTB两种总线的基本通信原理入手，对它们各自周期信息的实时通信调度机制分别进行了深入的研究。根据它们周期信息通信的特点，分别提出了相应的实时调度时间表的构建算法；同时，对MVB和WTB周期

信息实时调度算法的可调度性分析进行了研究，通过求取周期信息最长响应时间的方法，给出了实时调度有效性判定条件。最后，设计了相应程序对文中所提算法和方法进行了仿真实现，通过实例分析证明了所建模型的正确性。

对于列车通信网络中偶发性的非周期信息而言，其通信调度机理及其响应时间特性也在某种程度上影响着列车网络的实时性。由于MVB和WTB采用了两种完全不同的方式进行非周期信息的调度，MVB采用基于冲突的事件仲裁机制进行消息事件的查询和发送，而WTB则采用按序轮询的方式进行非周期信息的传输。为此，论文对MVB和WTB非周期信息通信时的响应时间特性进行了研究，分别提出了非周期信息最长响应时间的计算方法。论文中通过对具体实例的分析，验证了所提算法的正确性，有效地评估了极端情况下非周期信息的响应时间特性。

列车通信网络性能的分析是改进和优化网络实时性能的基础，同时也是提供稳定的网络服务质量Qos的前提和保证。为此，论文针对列车通信网络的各项性能指标，提出了网络实时性能参数以及其它各项网络平均性能指标的计算方法，并进行了仿真分析。以MVB为例，重点利用排队论对其实时性能指标一信息平均传输时延进行了建模和分析：同时，对列车通信网络的利用率、传输效率、吞吐量等平均性能的计算方法也进行了仔细研究，并通过仿真分析验证了所建模型的正确性。仿真结果也进一步指出了影响列车通信网络性能的主要因素，可以对实际应用中优化网络性能起到很好的指导作用。 通过上述对列车网络通信调度机制以及网络总体性能的分析和评价可以看出，现有MVB和WTB网络实时性能的提高和优化还值得展开进一步的研究。为此，论文以MVB为研究对象，首先对其周期信息特征轮询周期与最多可配置逻辑端口数之间的关系进行了研究，提出了确保所有周期信息均能满足实时响应要求的约束条件。然后，对现有MVB非周期通信调度策略进行了优化研究，提出了基于过程数据从帧填充法的SFS方法，对提高列车通信网络中紧急非周期信息的实时性能进行了尝试和探索。

最后，论文提出了有待进一步研究和完善的方向。

7.期刊论文 潘峰.张凤登 FF总线实时通信机制的研究及应用 -自动化仪表2001,22(10)

主要讨论了基金会现场总线数据链路层的工作机制及其实时令牌循环时间特性,计算出了两个连续CD令牌的最小时间间隔,并通过美国Rosemount公司的Deltay系统对结论进行了验证.

8.学位论文 张向利 基于以太网的数控系统现场总线技术研究 2008

目前国产数控装置与伺服驱动之间的接口仍然采用 “脉冲量或模拟量接口”标准，不能满足高速高精数控系统的通信要求，已经成为高档数控系统发展的主要瓶颈。而国外高档数控系统内部各模块之间的通信大都采用数字式现场总线，解决了通信瓶颈问题。但是这些现场总线多采用专用的硬件设备，技术保密，互不兼容，开发成本高。相对而言，以太网技术成熟、开放性好、兼容性强、成本低。因此将以太网技术引入数控系统，实现数控系统现场级实时通信与同步是我国下一代高档数控系统的重要研究内容，论文围绕这个主题展开以下研究。

研究了国外主流数控系统现场总线技术的体系结构和通信协议、分析了它们用于数控系统现场总线存在的优缺点。提出了基于以太网透明模型的数控系统分级实时通信与同步体系结构。

针对数控系统现场总线的硬实时通信和精确时间同步要求，将实时通信和同步操作结合起来，提出了一种实时通信和精确时间同步算法，在通信周期不变的基础上完成了精确时间同步功能。

基于实时通信和精确时间同步算法，提出了一种实时通信和精确时间同步协议，并研究了总线传输及可靠性通信技术。设计了具体的实现方案，使实时通信和同步操作成为一个和谐的整体，达到互相兼顾、避免干扰和减轻负载的目的。

提出了一种基于混合任务模型的动态现场总线调度算法，有效地解决了包含周期实时任务、非周期实时任务、非实时任务和分时任务在内的混合任务系统在现场总线中的动态多处理器实时调度问题。建立了数控系统现场总线的任务模型及任务的形式化描述，设计了基于任务层次关系和截止时间特性的优先级策略，采用添加关系的方法将分时问题转换为一般问题，设计了现场总线调度算法。通过数控系统实时通信与精确时间同步协议的调度实例对算法进行了验证，分析了算法的性能。

开发了一种数控系统现场总线控制器及基于以太网现场总线的数控系统原型样机，对所设计的实时通信、精确时间同步协议及可靠性进行了实验验证和分析。

9.期刊论文 王太勇.李波.万淑敏.李宏伟.WANG Tai-yong.LI Bo.WAN Shu-min.LI Hong-wei 基于现场总线的可重构数控系统的研究 -计算机集成制造系统2006,12(10)

在研究开放式可重构数控的基础上,构建了基于先进精简指令集微处理器和运动控制芯片的数控平台,提高了系统的集成度和稳定性,实现了生产过程的数字化与高速高精.基于现场可编程门阵列器件的硬件可重构设计,避免了资源浪费,实现了柔性制造.为解决因数控系统信息交互密集而产生的实时性、可靠性等差的问题,在对现场总线时间特性分析的基础上,开发了基于现场总线的开放式数控系统.最后,通过在机床数控系统中的应用,验证了方案的可行性和高效性.

10.学位论文 丁磊 Profibus-DeviceNet间嵌入式协议转换技术研究及其芯片级实现 2006

随着控制技术的发展呈现网络化、开放性趋势，现阶段的控制系统呈现分散控制系统、现场总线系统和工业以太网多种控制方式并存的局面。现场总线技术的出现为工业控制领域带来了一场深刻的变革，但其多种总线标准互不兼容的问题，影响了自动化系统的开放性与互操作性。随着现场总线在工业控制中应用的越来越广泛，如何实现不同类型的总线在同一系统中的兼容成为研究热点。

课题组前面同学采用现场总线模块和工业以太网模块，实现了现场总线与工业以太网之间的协议转换。本文在课题组已有的协议转换技术研究基础上，深入研究现场总线间的协议转换问题，选择现场总线标准中具有代表性的Profibus现场总线和DeviceNet现场总线，它们二者之间的转换研究目前在国内尚未见报道。

为实现Profibus-DeviceNet问嵌入式协议转换的开发，首先开发了Profibus-DP从站接口和DeviceNet从站接口，两者具有通用接口，保证了同类设备的一致性。在从站开发完成的基础上，本文分析了不同的网络之间的协议转换技术，基于现场总线互连技术，研制出一种嵌入式协议转换装置，实现了Profibus和DeviceNet现场总线间的协议转换，在转换装置内包含了自主开发的Profibus-DP从站接口和DeviceNet从站接口。

为测试研制出的协议转换装置的性能，构建一测控平台，平台内包含Profibus网络和DeviceNet网络，在平台内测试包含Profibus和DeviceNet两种网络的混和系统性能，验证了协议转换装置的准确性。在现场总线网间协议转换准确的前提下，详细分析了Profibus和DeviceNet网络的传输时间特性，揭示了现场总线网间传输延时的变化规律和影响因素，为进一步提高协议转换装置的性能提供了理论基础。

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下载时间：2011年1月21日